Establecimiento de criterios de proceso para el procesado de alimentos por alta presión

Resumen

CNTA (anteriormente CTCNV) se constituía en el año 1981 como centro tecnológico de la conserva vegetal con el fin de dar servicio analítico a la industria conservera del valle del Ebro. La evolución del sector industrial, de la regulación y legislación y de las nuevas tendencias de consumo hicieron que CTCNV se adaptara a los cambios constituyéndose en el año 2005 el CNTA-Laboratorio del Ebro como centro Tecnológico (dejando de ser exclusivamente un laboratorio) e incorporando en su estructura el área de I+D+i. En el año 2007 se crea en CNTA el que entonces se denominó Departamento de Tecnología de los Alimentos dentro del área de I+D+i. Este departamento pretendía englobar aquellos proyectos de investigación relacionados con las tecnologías de conservación tradicionales (fundamentalmente tratamientos térmicos) pero también apostar por nuevas tecnologías de conservación. En ese momento comienza un debate interno entre dirección y personal investigador de CNTA con el fin de apostar y decidirse por una tecnología de conservación, de las denominadas “emergentes”, que posicionara a CNTA a medio plazo como centro tecnológico a la vanguardia de los tratamientos alternativos al calor por esa tecnología. Este debate concluyó con la elección de las Altas Presiones Hidrostáticas (APH) como tecnología por la que apostar y, como consecuencia de esta decisión, se adquiere el primer equipo de planta piloto y se incorpora al doctorando al centro con el objetivo de poner en marcha, consolidar y promocionar esta línea. En el año 2013, como resultado de una reestructuración del área de I+D+i de CNTA, el doctorando pasa a desempeñar el puesto de Líder de la línea 3 (1 de las 5 líneas en las que queda estructurada el área técnica de I+D+ì), denominada Nuevas Tecnologías de Conservación de Alimentos en la que ya se incluyen, además de la tecnología de APH, la tecnología de Pulsos Eléctricos de Alto voltaje (PEAV) y las Radiofrecuencias (RF). Dada esta trayectoria, y por motivos obvios, esta Tesis Doctoral es, en cierta medida al menos, atípica. A lo largo de los años las cuestiones de interés prioritario para la implantación de esta tecnología fueron cambiando muy rápidamente, lo que es lógico dado el gran dinamismo de la industria agroalimentaria, a la que nuestro trabajo nos obligaba a dar satisfacción; en otras palabras, fue necesario cambiar de planteamientos en periodos muy cortos de tiempo. Como cualquier investigación fue necesario buscar fuentes de financiación que, en nuestro caso, fueron muy diversas; de hecho, los resultados que aquí se incluyen han sido financiados por diferentes proyectos o contratos de temáticas diversas. Estos cambios en la fuente de financiación, y por tanto del tipo de convocatorias o contratos a los que se concurría, obligó en muchos casos a utilizar planes experimentales muy diferentes, lo que en principio no es deseable Esta circunstancia nos hizo dudar si lo más conveniente para elaborar esta Tesis sería seleccionar un parte concreta y homogénea de los datos o, por el contrario, incluir un mayor número de aspectos. Finalmente nos decidimos por el segundo caso en la creencia de que la propia heterogeneidad de los planteamientos enriquecería el trabajo y, sobre todo, que ayudaría a ver la tecnología desde distintas perspectivas, más próximas a la realidad industrial. El objetivo de esta investigación es claro: determinar si las altas presiones hidrostáticas son una alternativa real para la conservación e higienización de los alimentos, y en qué circunstancias. Obviamente para la consecución de este objetivo fue preciso planificar unos estudios básicos de laboratorio y posteriormente validar los datos en situaciones próximas a la realidad industrial. Además, había que considerar que los tratamientos de pasteurización y esterilización persiguen objetivos distintos y tienen problemáticas muy diferentes. Por ello esta memoria se ha estructurado en tres capítulos: - Capítulo 1: dedicado a la pasteurización de alimentos por APH. - Capítulo 2: dedicado a la conservación (pasteurización/esterilización) de alimentos por alta presión y temperatura (APT). - Capítulo 3: dedicado al estudio de los efectos de la tecnología de alta presión en el procesado industrial de alimentos concretos. Para determinar las posibilidades y limitaciones de la APH como método de pasteurización de los alimentos entendíamos que era necesario contestar a las siguientes preguntas:  ¿Cuál es la variación en resistencia a las APH, inter e intraespecíficas, de los principales patógenos alimentarios?  ¿Cuál es su cinética de inactivación?  ¿Cómo cambia la resistencia al modificar las condiciones de tratamiento? La contestación a estas preguntas debería permitirnos establecer los criterios de proceso de la tecnología y las condiciones extremas en las que podría ser útil. Por otro lado, para determinar las posibilidades y limitaciones de las APT como método de pasteurización/esterilización de los alimentos entendíamos que era necesario contestar a las siguientes preguntas:  ¿Qué y cuántos esporos bacterianos son capaces de inactivar la APT?  ¿Cuánto aumenta su eficacia esporicida al aumentar la temperatura?  ¿Cuál es su cinética de inactivación?  ¿Cómo cambia la resistencia al modificar las condiciones de tratamiento? Además, dadas las especiales características de estos tratamientos resultaría especialmente conveniente contestar a otras preguntas adicionales:  ¿Qué cepa podría utilizarse como referencia para establecer la eficacia de un proceso de APT y cuál es su comportamiento en distintas circunstancias?  ¿Es esta tecnología capaz de inactivar los esporos de C. botulinum no proteolítico?  ¿Sirve esta tecnología para inactivar esporos de Alicyclobacillus spp. en zumos? Finalmente, sería necesario validar las conclusiones obtenidas en laboratorio en alimentos concretos y, desde una perspectiva global que incluyese aspectos tales como los efectos del tratamiento en la calidad del producto final. Dada la diversidad de aspectos abordados parece conveniente clasificar las principales conclusiones en tres subapartados: inactivación de células vegetativas patógenas, inactivación de esporos bacterianos y procesado industrial de alimentos. Las principales conclusiones de cada subapartado se detallan a continuación: INACTIVACIÓN DE CÉLULAS VEGETATIVAS PATÓGENAS 1. La resistencia a la presión de los distintos patógenos alimentarios evaluados (S.aureus, L. monocytogenes, E. coli, Salmonella spp. y C. sakazakii) es notablemente dependiente de la cepa. La magnitud de las variaciones intraespecíficas depende especialmente de la resistencia máxima que muestra la especie. De igual modo, la variación interespecífica es mayor si se deduce de la comparación de las cepas más barorresistentes de cada especie que si deduce de la comparación de las más barosensibles. 2. La cepa que mostró una mayor barorresistencia en todas las condiciones de tratamiento resultó ser S. aureus CECT 976. La barodependencia del nivel de inactivación fue menor en las cepas más resistentes de S. aureus y en todas las de E.coli, y mayor en el resto de cepas; dicho en otras palabras: las diferencias en barorresistencia entre las cepas más y menos resistentes a las APH aumentan con la presión de tratamiento. 3. La cinética de inactivación de S. aureus CECT 976 frente a las APH es similar a la de la mayoría de las cepas bajo condiciones de tratamiento equivalentes. Las curvas de supervivencia de S. aureus frente a las APH no siguen una cinética exponencial, observándose desviaciones de la linealidad en forma de colas. 4. El efecto letal de la fase de presurización es prácticamente despreciable en medios de pH neutro, mientras que su relevancia en medios de pH muy ácido es extraordinaria; de hecho, en medios muy ácidos de elevada actividad de agua, sería posible alcanzar más 5 reducciones logarítmicas durante la presurización industrial. El efecto de la fase de presurización en el daño celular es incluso mayor. En definitiva, en medios ácidos de elevada actividad de agua debería integrarse la contribución del efecto letal de la fase de presurización al efecto letal total, tal como se hace en los tratamientos térmicos. 5.La disminución del pH del medio de tratamiento disminuye la barorresistencia, y la de la actividad de agua la aumenta, aunque existen interacciones entre ambas variables. El efecto de la actividad de agua fue mayor en medios ácidos, y el efecto del pH fue mayor a actividades de agua más reducidas. A efectos prácticos, considerando que el procesado industrial actualmente viable son: 600 MPa durante tiempos <15 minutos, y que el objetivo de rendimiento son 6D, sería factible la pasteurización de los alimentos de pH 4,0 incluso con una actividad de agua de 0.94, si fuesen de pH 5,0 solo sería posible hasta actividades de agua de 0,96, si fuesen de pH 6,0 hasta actividades de agua de 0,98, y si fuesen de pH 7,0 solo sería factible la higienización con esta tecnología cuando la actividad de agua superase 0,99. 6. Habitualmente, aunque no siempre, los alimentos ejercen un efecto baroprotector respecto a los tampones de similares características físico-químicas. En cualquier caso, un tratamiento de 600 MPa y 10 minutos de duración, permitiría pasteurizar: zumo de naranja, salsa de tomate, gazpacho, caldo de verduras, caldo de pollo, bifrutas, y salsa pesto, pero no leche. Si se redujese el tiempo de tratamiento a 5 minutos, S. aureus sobreviviría en todos estos alimentos y en leche, además, E. coli. INACTIVACIÓN DE ESPOROS BACTERIANOS 1. Las diferencias en barorresistencia entre especies esporuladas son mayores que las existentes entre los géneros Bacillus y Clostridium y, además, a juzgar por las resistencias de las cinco cepas de Alicyclobacillus, las diferencias intraespecíficas también pueden superar a las interespecíficas. En cualquier caso, la aplicación de presión a temperatura ambiente (APH) tiene un escaso efecto esporicida. A las presiones más intensas aplicadas en esta investigación (800 MPa) no puede conseguirse un nivel de inactivación superior a 1,5 ciclos logarítmicos, cualquiera que sean las condiciones físico-químicas del medio de tratamiento. 2. El efecto letal de un proceso combinado de altas presiones y calor (APT) no es el resultado de la simple suma de las eficacias letales de la presión y el calor, lo que parece indicar que otros fenómenos, previsiblemente la activación y germinación de los esporos, están implicados en la resistencia de las distintas especies. Las diferencias observadas entre la especie más resistente (B. amyloliquefaciens) y la más sensible (B. subtilis) fueron, en las condiciones de referencia (600 MPa, 80 ºC, 10 min) de hasta 4 ciclos logarítmicos. 3. Los esporos de B. amyloliquefaciens TMW 2479 resultaron ser los más resistentes a la APT en la mayoría de las condiciones exploradas, por lo que esta cepa podría utilizarse como indicadora del efecto de esterilización por APT. Dentro del género Clostridium, C. sporogenes fue la que mostró una resistencia mayor, resultando ligeramente menor que la de las cepas de B. amyloliquefaciens, por lo que en circunstancias especiales podría resultar también idónea como indicadora de la eficacia del proceso de esterilización APT. 4. En las condiciones consideradas de referencia (600 MPa, 80 ºC, 10 min) los tratamientos APT no fueron suficientes para alcanzar más de cinco ciclos de inactivación, salvo en los medios de pH 4,0. No obstante, si la tecnología avanza en cuanto a equipamiento y resulta factible aplicar tratamientos a 800 MPa y 90 ºC, sería posible alcanzar más de 6 ciclos de inactivación de las cepas más barorresistentes en zumo de naranja, salsa de tomate y gazpacho, y más de 5 en biofrutas y caldo de pollo. No se podrían alcanzar estos niveles de inactivación en leche, nata, salsa pesto y caldo de vegetales. 5. De las tres cepas no proteolíticas de Cl. botulinum investigadas, la cepa TMW 2990 resultó ser la más resistente a la APT en todos los medios evaluados. Los niveles de inactivación obtenidos en esporos de C. botulinum TMW 2990 fueron mayores en el tampón citrato-fosfato que en los distintos alimentos; no obstante, un tratamiento de 800 MPa/80ºC durante 10 minutos permitiría alcanzar más de 5 ciclos logarítmicos de inactivación en alimentos de cualquier pH, lo que haría factible el uso de esta tecnología para la pasteurización de alimentos envasados a vacío. 6. La cepa CECT 7094 de Alicyclobacillus acidoterrestris resultó la más resistente a los tratamientos de APT por lo que podría utilizarse como referencia para establecer los parámetros de esterilización de zumos de frutas. El tratamiento de los zumos de naranja a 600MPa y 80ºC permitiría garantizar más de 5 ciclos logarítmicos de inactivación de esta cepa en menos de 10 minutos. PROCESADO INDUSTRIAL DE ALIMENTOS 1. La tecnología de APH (600 MPa/10 min) permite obtener salsa pesto (pH<4,5) estable microbiológicamente durante 12 meses a temperatura ambiente. El tratamiento de presión preserva mejor el color verde típico propio de la salsa pesto en comparación con las salsas tratadas térmicamente (105 ºC/25 min). Por otro lado, las salsas tratadas por APH fueron mejor valoradas en todos sus atributos por un panel de cata en comparación con el pesto tratado por calor durante toda su vida útil. 2. La APH (600 MPa/10 min) es una tecnología adecuada para la conservación de tumaca a temperatura ambiente (pH<4,5). El color típico de este producto se pierde durante el almacenamiento, siendo más evidente en las muestras tratadas térmicamente (105 ºC/25 min). El tratamiento térmico reduce la viscosidad del producto, mientras que la APH favorece la obtención de texturas muy bien valoradas por el panel de catadores. En todos los casos, las muestras de tumaca tratadas por presión fueron mejor valoradas por los catadores que las tratadas térmicamente, tanto después de la aplicación del tratamiento de conservación como a lo largo de la vida útil del producto (12 meses) 3. El procesado por APH (600 MPa. 1 min) es una tecnología adecuada para el tratamiento de ensaladilla rusa (pH 4,9), permitiendo mantener una calidad microbiológica aceptable durante al menos 60 días en refrigeración. Además, el uso de presión permite la obtención de un producto de mayor calidad físico-química y sensorial durante todo el periodo de almacenamiento y más parecido a un producto recién elaborado, que cuando la tecnología de conservación aplicada es el tratamiento térmico convencional (95 ºC/25 minutos). 4. La aplicación de un tratamiento combinado de APT (600 MPa/80 ºC/ 45 s) que garantiza 3 ciclos de inactivación de Alicyclobacillus CECT 7094 en zumo de naranja no modifica significativamente el pH, ºBrix, viscosidad y acidez del zumo de naranja. Las diferencias de color respecto a un zumo recién exprimido fueron ligeramente perceptibles en un zumo tratado por APT y, muy intensas en zumo pasteurizado térmicamente (95 ºC, 10 min). El tratamiento de APT permite conservar un mayor contenido de ácido ascórbico en comparación con el tratamiento térmico. A pesar de que en líneas generales el panel de cata valoró con mejores puntuaciones el zumo tratado por APT, quizás los beneficios obtenidos no sean suficientes para justificar el coste adicional que supondría la aplicación del tratamiento de APT. 5. Un tratamiento combinado de APT a 800 MPa y 90 ºC durante 10 minutos, que garantiza más de 5 ciclos logarítmicos de reducción de esporos de C: sporogenes y la inactivación de la flora natural presente en crema de champiñón, no produce cambios en el pH ni en los ºBrix del producto. Por el contrario, provoca un aumento de la viscosidad y del pardeamiento, y una ligera pérdida del color típico. Los resultados del análisis sensorial ponen de manifiesto que la crema de champiñón tratada por APT presenta una intensidad de sabor y olor significativamente mayor que la crema esterilizada térmicamente (115 ºC. 52 minutos), siendo por ello mejor valorada en el análisis de preferencia. Teniendo en cuenta que a día de hoy la máxima intensidad que permite aplicar un equipo de alta presión son 600 MPa, parece razonable pensar que para lograr los objetivos establecidos en crema de champiñón sería lógico evaluar el efecto a esta intensidad a temperaturas superiores a 100 ºC.