Evaluation of the efficacy of Ultra-High Pressure Homogenization technology to improve the safety and quality of liquid foods and especially of orange juice
El principal objetivo de esta tesis ha sido evaluar la capacidad de la tecnología de ultra
alta presión de homogeneización (UHPH) como alternativa a la pasteurización
convencional para garantizar la seguridad y calidad de los alimentos líquidos.
Para probar la eficacia de la UHPH y garantizar la seguridad microbiana de los
alimentos se inoculó Listeria monocytogenes y/o S. enterica serovar Senftenberg 775W
en diferentes alimentos líquidos como son huevo entero líquido, leche y zumo de frutas
(naranja y uva). y se trataron a 150, 200 y 250 MPa en el caso del huevo liquido y a
200, 300 y 400 MPa en el de leche y zumos de frutas, realizándose la evaluación de su
supervivencia durante el almacenamiento en refrigeración a 4ºC durante 20 días en las
muestras de huevo y 12 días en las muestras de leche y zumo de frutas. Los recuentos
de células viables y dañadas se realizaron utilizando agar triptona soya enriquecida con
extracto de levadura y el mismo medio suplementado con sal. Para evaluar los factores
que pudieran afectar a la inactivación bacteriana en la eficacia del tratamiento UHPH, se
estudió la influencia de la concentración bacteriana baja (3 log CFU/ml) y alta (7 log
CFU/ml) en huevo y leche, así como la influencia del contenido de grasa en leche (0.3,
3.6, 10, y 15% de grasa). Adicionalmente, con la finalidad de explicar algunos de los
resultados de supervivencia de los patógenos inoculados en los zumos de frutas se
estudió la eficacia a la respuesta de ácido tolerancia (ATR) en la protección de Listeria
monocytogenes y S. enterica en fase exponencial o estacionaria en zumo de naranja y
uva conservados a 4 y 25ºC. En huevo, el tratamiento a 250 MPa disminuyo los
recuentos de Salmonella enteritidis serovar Senftenberg 775W a niveles similares a los
obtenidos en la pasteurización térmica, produciéndose una disminución posterior por
debajo de los límites de detección durante el almacenamiento 4ºC, aunque se detecto su
presencia. En las muestras de leche (0.3 and 3.6%), se observó que 300 y 400 MPa
dañaban considerablemente a L. monocytogenes, pero durante el almacenamiento fue
capaz de recuperarse y desarrollarse. No obstante, los mayores valores de letalidad se
consiguieron en las muestras de leche con un contenido de 15 y 10% de grasa. En las
zumos, el tratamiento a 400 MPa inactivó completamente Salmonella enteritidis serovar
Senftenberg 775W, este cepa se mostró mas sensible que L. monocytogenes a los
tratamientos UHPH aplicados. Sin embargo, al finalizar el periodo de almacenamiento
del zumo de uva control y homogenizado no se detectaron recuentos de L.
monocytogenes, lo que podría ser atribuido a la presencia de compuestos naturales de la uva con efecto antilisteria. La respuesta de ácido tolerancia se indujo a L.
monocytogenes y Salmonella enteritidis serovar Senftenberg 775W para evaluar si se
presentaba un efecto protector ante estrés por acidez. Se observó que las células en fase
estacionaria mostraban una resistencia natural a pH bajos.
Tomando como modelo al zumo de naranja, se evaluó el efecto de la UHPH en la
actividad enzimática (pectin metilesterasa) y microbiológica (bacterias aerobias
mesófilas, psicotrófas, ácido lácticas y levaduras), en los atributos físicos (turbidez y
distribución del tamaño de partícula), en las propiedades bioactivas (contenido de Lacido
ascórbico, carotenoides y polifenoles), en la actividad antioxidante y en otros los
parámetros generales de calidad (color, pH, °Brix, acidez titulable, azúcares reductores
y índice de oscurecimiento no enzimático). Los tratamientos UHPH aplicados
consistieron de dos temperaturas de entrada (10 o 20ºC), tres niveles de presión (100,
200 y 300 MPa) y dos tiempos de retención (≤ 0.7 o 30 segundos). Los resultados se
compararon con los resultados obtenidos por pasteurización térmica (1 o 2 min a 90 ºC).
Los tratamientos de UHPH iguales o superiores a 200 MPa fueron igualmente efectivos
que la pasteurización para el control de la actividad enzimática y de las bacterias
alterantes del zumo no apreciándose actividad enzimática ni incremento de los
recuentos microbianos tras 50 días de almacenamiento a 4ºC. Los zumos tratados por
UHPH tuvieron la mejor distribución de tamaño de partícula y los mejores valores de
turbidez en comparación con los zumos pasteurizados, obteniendo una mayor reducción
de del tamaño de partícula en las muestras tratadas a 300 MPa. La retención de L-acido
ascórbico y carotenoides dependió de la presión aplicada y específicamente de la
temperatura alcanzada durante el tratamiento. El contenido de flavonoides se
incrementó en el zumo con los tratamientos por UHPH, obteniendo el mayor contenido
a 200 y 300 MPa. Además, los zumos tratados por UHPH mostraron niveles de
capacidad equivalente antioxidante trolox (TEAC) mayores que los de los zumos
frescos o pasteurizados. Además, se realizó un estudio sensorial de preferencia y
aceptabilidad en zumo homogeneizado en las condiciones consideras de elección (20ºC
de temperatura de entrada y 300 MPa) y se evaluó la vida útil a 6ºC y 20ºC por 90 días.
En el estudio de aceptabilidad, la muestras tratada por UHPH obtuvieron la menor
puntuación en términos de valoración de color con respecto a la muestra pasteurizada.
Durante los 90 días de almacenamiento a 6ºC los recuentos de las muestras tratadas por
UHPH así como las pasteurizadas se mantuvieron por debajo del límite de detección (1
Log CFU/ml).The main objective of this thesis has been to evaluate the capacity of the ultra-high
pressure homogenization (UHPH) technology as alternative to the conventional
pasteurization in ensuring the safety and quality of liquid foods.
To test the effectiveness of the technology to guaranty the microbial safety of foods we
inoculated strains of Listeria monocytogenes and/or S. enterica serovar Senftenberg
775W into different liquid foods such as whole egg, milk and fruit juices (orange and
grape). They were submitted to a single cycle of UHPH treatment at 150, 200 and 250
MPa for liquid whole egg and at 200, 300, and 400 MPa for milk and fruit juices. The
effectiveness of the UHPH treatments over low (3 log CFU/ml) and high (7 log
CFU/ml) bacteria loads was evaluated in both liquid whole egg and milk. Moreover, the
influence of milk fat content (0.3, 3.6, 10, and 15% of fat) in the Listeria
monocytogenes inactivation by UHPH treatments was also studied. Samples counts
were followed during of storage at 4ºC over 20 days for liquid whole egg and 15 days
for milk and fruit juices. Viable and injured bacterial counts were evaluated by means of
a differential plating method using tryptone soy agar enriched with yeast extract and the
same medium supplemented with salt. Additionally, with the purpose to explain some
of the results of the survival of pathogens inoculated in fruit juices, the effectiveness of
the response acid tolerance (ATR) on the protection in the exponential or stationary
phase of Salmonella Seftenberg and L. monocytogenes inoculated in orange and
grapefruit juice during their conservation at 4 °C and 25ºC was studied. In liquid whole
egg, UHPH treatments at 250 MPa effectively reduced Salmonella enteritidis serovar
Senftenberg 775W to similar levels than reported for thermal pasteurization. Surviving
Salmonella counts decreased below the detection limit during the storage of the liquid
egg at 4ºC, although Salmonella was immunologically detected during all the storage
period. In milk samples which a low fat concentration (0.3 and 3.6 %), pressures of 300
and 400 MPa damaged considerably L. monocytogenes cells but they were able to
recover and grow up during the subsequent cold storage. Nevertheless, higher lethality
values were achieved in milk with the highest fat content (15 and 10%). In fruit juices,
UHPH treatments at 400 MPa inactivated completely Salmonella enteritidis serovar
Senftenberg 775W, being this strain more sensitive than L. monocytogenes to the UHPH
treatments applied. However, in grape juice L. monocytogenes viable counts were undetectable at the end of storage in both control and pressurized samples, which could
be attributed to the presence of natural compounds with antilisterial effect. Acid
tolerance response (ATR) was induced in L. monocytogenes and Salmonella enteritidis
serovar Senftenberg 775W to assess if it was able to protect cells from a most severe
acid stress. Cells in stationary phase, used on the UHPH experiment with juices, showed
a natural resistance to low pH values.
Taking orange juice as food model, we also evaluated the effect of UHPH treatments on
enzymatic activity (pectin methylesterase PME) and microbiological (mesophilic
aerobic bacteria, psychrotrophic aerobic bacteria, lactic-acid bacteria and yeast) spoiling
activity, as well as on physical attributes (cloud stability and particle size distribution),
bioactive properties (L-ascorbic, carotenoid and polyphenol content), antioxidant
activity and other general quality parameters (color, pH, °Brix, titratable acidity,
reducing sugars and non-enzymatic browning index). In this case the UHPH treatments
used consisted in combinations of two inlet temperatures (10 or 20ºC), three pressures
(100, 200 or 300 MPa) and two holding times (≤ 0.7 or 30 seconds). Results were
compared with two thermal pasteurization treatments (1 or 2 min at 90 ºC). UHPH
treatments above 200 MPa were as effective as pasteurization to control both PME
activity and spoilage bacteria in orange juice. Neither pectin methyl esterase activity nor
microbial counts increased significantly after 50 days of storage at 4ºC. UHPH treated
juices showed a better particle size distribution and cloudiness values than the
pasteurized juices. In particular, the smallest particles were observed in samples treated
at 300 MPa. L-ascorbic acid and carotenoid retention of orange juice depended on the
high pressure used and more specifically on the maximum temperature achieved during
the UHPH treatment. Content of flavonoids in orange juice increased after the UHPH
treatments, achieving the maximum concentration in the samples treated at 200 and 300
MPa. Moreover, UHPH treated juices showed higher levels of trolox equivalent
antioxidant capacity (TEAC) values than did fresh and heat-treated samples.
Additionally, a preliminary sensorial test of preference and acceptability was made with
the orange juice treated at 20ºC of inlet temperature and 300 MPa. Moreover with these
samples a shelf-life test was carried out by 90 days at 6ºC and 20ºC. In the consumer
acceptability study, the UHPH samples in term of color obtained the lowest score.
Microbial counts of both UHPH treated and pasteurized samples kept below of the
detection limit (1 Log CFU/ml) during the 90 days of storage at 6ºC
