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Montevideo Oct 8-10, 2007
Federico HarteFood Science and Technologyfede@utk.edu
ContenidoContenido
Métodos “no térmicos”Alta Presión Hidrostática (APH)Homogeneización a Alta Presión (HPH)Aplicaciones en alimentosAplicaciones con caseínaFuturos desarrollos?
MMéétodos todos ““no tno téérmicosrmicos””??
“Me gustan los Pasteur, pero por Dios – jugo de tomate hervido, pescado hervido, lechuga hervida, pan hervido …”
Knorr, D. 2003 – IFT
Knorr, D. 2003 – IFT
RadiaciRadiacióón Gamman GammaRayos XRayos XCampos elCampos elééctricosctricosPulsos magnPulsos magnééticosticosPulsos de luzPulsos de luzUltravioletaUltravioletaAlta PresiAlta Presióón Hidrostn Hidrostááticatica
UltrasonidoUltrasonidoOzonoOzonoQuQuíímicos y bioqumicos y bioquíímicosmicosFermentaciFermentacióónnActividad de aguaActividad de aguaHomogeneizaciHomogeneizacióónn
Métodos no térmicos
Alta presión hidrostática– escala y principio
Seguridad alimentaria Seguridad alimentaria PasteurizaciPasteurizacióón de ostras, salsas, jamn de ostras, salsas, jamóón en n en fetasfetasFormadores de esporas (Formadores de esporas (Bacillus, ClostridiumBacillus, Clostridium))
InactivaciInactivacióón enzimn enzimááticaticaGuacamole (PPO), jugos de fruta (PME) Guacamole (PPO), jugos de fruta (PME)
CongeladoCongelado--Descongelado AsistidoDescongelado AsistidoMenor daMenor dañño estructural (cristales de menor o estructural (cristales de menor tamatamañño) o) Descongelado rDescongelado ráápidopido
Péé tid bi ti
Alta presión hidrostática
Homogeneización
Stress de cizalla
Impacto
Turbulencia
Cavitación
Alta Presión
www.foodsci.uoguelph.ca
Homogeneización
Homogeneizadores - 2004 Homogeneizadores - 2007
EmulsiFlex-C50
EmulsiFlex-C55
EmulsiFlex-C160
EmulsiFlex-C1000
200 MPa Max
AVESTINhttp://www.avestin.com/(Canada)
NanoDeBEE
MicroDeBEE
MiniDeBEE
250 mL/min
310 MPa Max.
BEE Internationalhttp://www.beei.com/(Israel)
Stansted – 400 MPa Maxhttp://www.sfp.com/(UK)
1st stage 2nd stage
INOUT
Un intensificador
tiempo
Dos intensificadores
tiempo
Aplicaciones en alimentosAplicaciones en alimentos 1) Seguridad Alimentaria
Cual es el Potencial?
2) Funcionalidad (físico-química)
Seguridad alimentaria
WARNING: This product has not been pasteurized and therefore
may contain harmful bacteria that can cause serious illness in
children, the elderly, and persons with weakened immune systems.
Inactivación de E. coli por HPH
Temperatura en la válvula del HPH Inactivación de E. coli por HPH
Taylor et al., 2007. J. Food Protection 70(4):1007-1010
Silo Tank High Pressure Homogenizer
Heat Exchanger
(Rapid cooling)
Diversion Valve
To Filler
Funcionalidad I
Polisacáridos
Funcionalidad depende del MWHidrólisis ácida Poli-dispersidadComercialización en base a viscosidad
Goma Xantana (0,2%) + HPH Xantana (0,2%)
r=0.996
k-Carragenina (0,5%)
r=0.987
Alginato (0,3%)
r=0.987
Harte and Venegas. 2007. J. Food Eng. (submitted)
Funcionalidad II
•Estabilización de sabores y antimicrobianos
•Encapsulación
•Emulsificación
•Interacciones entre macromoléculas
Funcionalidad II
•El caso de los aceites vegetales
brominados (BVO)
•Emulsificación de aceites
Limonene encapsulation using HPH
and Arabic-sucrose-gelatin systems
Kaushik and Roos, 2007 LWT 40(8):1381-1391
Limonene encapsulation using HPH
and Arabic-sucrose-gelatin systems
HPH on methylcellulose as emulsifier
(×100) 20% oil/0.75% MC emulsions
Ultra-Turrax 100 MPa
250 MPa 350 MPa
Floury et al., 2003. J Food Eng 58(3): 227-238 Floury et al., 2003. J Food Eng 58(3): 227-238
Propiedades reológicas
Newtoniano
τ = Kγn
τ = μγ
HPH on methylcellulose as emulsifier
Emulsiones estabilizadas con proteínas de soja
Ultra-T (2% 11S)
Ultra-T (2% 11S +SDS)
50 MPa (2% 11S +SDS)
Floury et al., 2002. J Food Sci 67(9):3388-3395
20% aceite + 11S Globulin
Nano dispersiones de B-Carotene
Tan et al., 2005. Food Chem. 92(4):661-671
Funcionalidad III
Micela de caseína + HPH
Proteinas en la leche
MicelleProteins in milk (~3.6%)Casein pI~4.6 (~2.8%)
αs1 β αs2 κ
Whey protein pI<<4.6 (~0.8%)
β-Lg α-La BSA Other
The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)
Sub-micelles Model
Walstra, 1999. Casein submicelles: do they exist? Int Dairy J 9(3-6):189-193
Sub-micelle (β-; αs1-2-caseins)
Calcium phosphate
Hydrophobic interactions
Ionic solution (milk serum)
k-casein (amphiphilic)
~ 250 nm
Nano-gel modelSub-micelles Model
Holt et al., 1998. FEBS, 252(1):73-79
The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)
Block Copolymer
αs1-CN
αs2-CN
β-CN
κ-CN
~ 250 nm
Horne, 2006 Curr Opinions colloid & Interface Science, 11(2):148-152
Sub-micelles Model
The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)
FESEM
Dalgleish et al., 2004 Int. Dairy J. 14(12):1025-1031
TEM
Harte et al., 2003 J. Dairy Sci. 86:1074–1082
~ 250 nm
Sub-micelles Model
The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)
Why High Pressure?Why High Pressure?
Raw milk
300 MPa
400 MPa
500 MPa
600 MPa
L ~ 60
L ~ 80
85 oC
Harte et al., 2003. J Dairy Sci, 86:1074-1082
L ~ 80
High Pressure?High Pressure?
High Pressure induced CM DissociationHigh Pressure induced CM Dissociation
Maximum MPa for current high pressure homogenization technology
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Abs
(500
nm
)
Roach, A., & Harte, F. 2007. Innov Food Sci Emerg. Techn doi:10.1016/j.ifset.2007.03.027
Results Results –– CM DissociationCM Dissociation Results Results –– CM DissociationCM Dissociation
Final System
Casein micelle
Hydrophobic Flavor /
Animicrobial
HYPOTHESISHYPOTHESIS
High Pressure Pump
(up to 350 Mpa)
Homogenizer Valve
High shear / velocity
HYPOTHESISHYPOTHESIS
Válvula del homogenizador
oC
MPa
DisociaciDisociacióón del micela de casen del micela de caseíína na Etanol Etanol – pH
EthanolpH
50%4.4
50%6.8
20%4.4
20%6.8
ETOH ETOH –– pH CM dissociationpH CM dissociation
pH
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
% E
than
ol
0
10
20
30
40
50
60
0.01 0.1 1 10 100 1000
Casein micelle diameter (μm)
ETOH ETOH – Temp CM dissociation
20 oC
40 oC
60 oC
80 oC
Ethanol (%)
L
Zadow , 1993. Aust J Dairy Tech, 48:78-81
Micelas de caseína
Triclosano
ETOH
Results Results –– EncapsulationEncapsulation
MPa0
100200300
Rotovapor
ETOH
200,000 xG
HPLC
Triclosano en Triclosano en sobrenadantessobrenadantes
P r e s s u r e ( M P a )
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0
TCS
mg/
L
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
2 0 m g /L 8 0 m g /L 1 6 0 m g /L
Roach et al., 2007. Biomacromolecules, submitted
Encapsulación de Vitamina D en micelas de caseína
Semo et al., 2007. Food Hydrocolloids 21:936–942
CM + Hydroxypropyl CelluloseCM + Hydroxypropyl Cellulose
P re s s u re ( M P a )0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0
Visc
osity
( m
Pa s
)
1
1 0
1 0 0
8 0 K D a3 7 0 K D a1 1 5 0 K D a
100 20 MPa 150 200 250 300
Micela de caseína y aceite
Creaming index = 100 * Volume of serum / Total Volume Vt
0 MPa
35 MPa
Wet-SEM, in collaboration with Dr Joy , Center for Nanophase Materials Science @ ORNL
San Martin-González et al., 2007, LWT, Submitted
Preguntas pendientes Cual es la Importancia relativa de los fenómenos físicos durante la homogenización (Presión vs. cizalla vs. impacto vs. turbulencia vs. cavitación)?Cinética de la de-polimerizaciónCapacidad de carga y mecanismos de entrega (delivery)Funcionalidad de complejos caseína-polisacárido
Hydroxypropyl-methyl celulosa , QuitosanoMétodos de microscopia electrónica para sistemas hidratados
Fluid TEM, Wet-SEM – contraste AFM
DesarrollosDesarrollos futuros?futuros?
Waterjet
Presión de trabajo ~400 MPa
Desarrollos futuros?Desarrollos futuros?
87,000 psi (~600 Mpa) HyperJet Pumps Now Available with Flow’s Waterjet (www.flowcorp.com)
“See the First System In Action at EMO, Hannover Germany, September 17 – 22, 2007
Homogeneizadores – 2009?
600
105
104
103
AgradecimientosAgradecimientos
Adrienne Roach (PhD)Aaron Hernandez (MS)Dr. Fernanda San MartinDr. Vyku Ganesan Dr. P M Davidson (U. Tennessee)Dr. Russell Rouseff (U. Florida)Dr. David Joy (Oak Ridge National Lab)
USDA-NRI-75.0CNMS-ORNL
Biopolímeros en Alimentos
Lana Zivanovic - http://web.utk.edu/~szivanov/
Carbohidratos
Federico Harte - http://web.utk.edu/~fede/
Proteínas
Qixin Zhong - http://web.utk.edu/~qzhong1/
Biofísicas
Montevideo Oct 8-10, 2007
Federico HarteFood Science and Technologyfede@utk.edu
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