Liofilització

procés de deshidratació en aliments

La liofilització és un procés de deshidratació de l'aliment o producte biològic mitjançant la congelació i la posterior sublimació, a pressió reduïda, del gel format, és a dir, l'evaporació de l'aigua. Té lloc en un recipient on s'ha fet el buit.[1] És el més noble procés de conservació de productes biològics conegut, perquè combina els dos mètodes més fiables de conservació, la congelació i la deshidratació.[2]

Avui en dia, el consumidor vol que es mantinguin les característiques organolèptiques dels aliments (olor, color, sabor..) i millorar la seva vida útil. La liofilització ens permet mantenir aquestes propietats perquè els productes són congelats i deshidratats al buit. Un dels aspectes més importants a tenir en compte és la selecció dels additius que permeten aconseguir una bona aparença i una estabilitat perllongada del producte.[3]

OrigenModifica

El primer concepte que tenim de liofilització és dels esquimals, que preservaven el peix per deshidratació en el 1250 a.C. Els incas també vaporitzaven l’aigua de les seves collites al deixar-les a altes altures. No va ser fins al 1890 que es va descobrir com a tal la liofilització. Primer va ser Richard Altmann que va obtenir teixits secs a pressions inferiors a l'atmosférica i a temperatures de -20ºC. En el 1920, la liofilització va ser establerta com un procés d'estabilització per a productes escalfables. L’inici de la liofilització tal com la coneixem avui en dia va ser durant la Segona Guerra Mundial com a mètode de transport de sèrums i altres subministres mèdics. Es va arribar a aquesta solució per al transport, ja que prèviament aquests objectes es feien malbé.[4]

Ja a partir dels anys 50 la seva popularitat va augmentar i es va convertir en un mètode industrial que s’utilitza avui en dia en molts camps, com la indústria farmacèutica, la indústria alimentària i per a la taxidèrmia. La patent va ser finalment conferida a Ariane Firus,[5] que va descriure un equipament per a assecar que substituiria al model anterior que utilizava àcid sulfúric.[6]

ProcésModifica

 
Figura 1: Diagrama de fases.

L'assecatge del producte s'aconsegueix mitjançant la sublimació de l'aigua, que es el canvi de fase de sòlid a gas. Això s'obté sotmeten el producte a condicions de pressió i temperatures menor a les del punt triple (punt on conviuen els tres estats de la matèria), ja que per sota d'aquest no existeix la fase líquida. És per això que incrementar lleugerament la temperatura del producte en aquestes condicions de pressió, el gel se sublima.[7] Consisteix en 4 etapes:[3][2]

  1. Congelació
  2. Aplicació del buit
  3. El gel se sublima en vapor d'aigua i és extret de la cambra d'assecatge .
  4. Retiratge del producte del liofilitzador i es pot embalar i emmagatzemar.

La congelació inicial és una operació prèvia i obligatòria. El temps de durada depèn de diversos factors (quantitat, concentració i naturalesa del mateix producte). Una congelació adequada és la base perquè el producte liofilitzat presenti òptimes condicions d’aspecte, conservació de les seves propietats originals i una ràpida rehidratació, per això és important fer una congelació ràpida a temperatures menors a -20 ºC.

 
Figura 2: Procés de liofilització (en anglès)

A continuació, es donaria la sublimació, també anomenada dessecació primària, en la qual la major part de l’aigua lliure passa a vapor. Després del congelat, la matèria primera és col·loca en una cambra d'assecatge on se sotmet a pressions de buit (5 Pa a 10 Pa), on gràcies a temperatures baixes (-50 ºC a -70 ºC) s'aconsegueix sublimar el gel del producte. Amb això aconseguim un canvi de gel a vapor sense passar per l'estat líquid. Els paràmetres de temperatura, pressió i temps poden ser modificats independentment, però estan estretament relacionats, si es modifica un es modifiquen els altres, per tant, han de ser considerats i analitzats conjuntament.

Per últim, es dona el procés de desorció o dessecació secundària. Aquest té l’objectiu d’eliminar les últimes traces de vapor d’aigua, evaporant l’aigua no congelada lligada al producte. La velocitat de sublimació continua decreixent de forma que es va aproximant a zero. Això és degut af fet que la calor necessària per retirar l'aigua lligada és més alta que la calor de sublimació. Es porta a terme a una temperatura inferior a la desnaturalització del producte i s’aconsegueix així una humitat final amb valors inferiors a l’1%. En cas que la liofilització no funciones tan efectivament també podria generar alminets amb un 10% d'humitat considerats aliments d'humitat intermèdia.

Parts generals de l'equip de liofilitzacióModifica

 
Figura 3: Liofilitzador

Hi ha tres components principals:[2] la cambra d’assecatge, el condensador i el sistema de buit. La funció bàsica del liofilitzador és crear l’entorn necessari perquè es doni el procés.

  • Cambra del liofilitzador: ens proporciona un entorn net i a vegades estèril pel procés i ens proporciona els valors de temperatura i pressió necessàries per congelar i assecar el producte.
  • Condensador: la principal funció és eliminar els vapors condensables abans que entrin en el sistema de bombeig del buit.
  • Sistema de buit: està connectat a la cambra del condensador i la seva funció és proporcionar les pressions necessàries per a les fases d’assecat primari i secundari. Requereixen una canonada de comunicació amb el condensador i la naturalesa de la bomba de buit.

Avantatges i inconvenientsModifica

AvantatgesModifica

  • La temperatura a la qual està sotmès el producte es troba per sota d’aquesta a la qual moltes substàncies inestables sofreixen canvis químics.[3] La liofilització dels aliments no endureix ni redueix la seva aparença i sabor, sinó que ajudarà al fet que aquests mantinguin el seu sabor i aroma durant un major període de temps, i a més a més, tenen la possibilitat de rehidratar-se de forma instantània i es produiran pocs canvis.[8]
  • Mínima pèrdua de constituents volàtils fruit de la baixa temperatura a la qual s’opera. A més es redueix el perill de contaminació microbiana i els preparats enzimàtics no pateixen alteracions.
  • Eliminació dels fenòmens d’oxidació - operació i envasat al buit: les característiques dels aliments liofilitzats són molt similars als dels aliments frescos donat que el creixement dels enzims i els microorganismes no sol produir-se a baixes temperatures, mentre que els fenòmens d'oxidació s'eliminen a causa que s'opera i s'envasa a un grau de buit alt.[9]
  • Fàcil i ràpida reconstitució per addició d’aigua o solvent adequat donat la porositat característica del producte.
  • Emmagatzematge il·limitat menyspreant la humitat romanent . S’elimina aproximadament entre un 95-99% de l’aigua que conté, el qual el converteix en un producte de llarga estabilitat, amb una solubilitat completa, fàcil i ràpida. Els aliments liofilitzats tenen una vida útil que pot durar entre 15 i 25 anys, segons sigui el cas, sempre que s’emmagatzemin correctament. Mentre que els aliments congelats i els deshidratats solament es conserven durant dos anys.[8]
  • Es conserva aproximadament un 95% del valor nutricional dels productes, causant un dany mínim en comparació amb altres mètodes de deshidratació que solen tenir un valor del 60%, pel fet que la calor tendeix a destruir part dels minerals i les vitamines que contenen aquests elements.[8][9]
  • El producte és molt fàcilment manipulable i transportable pel seu baix pes i perquè no requereix refrigeració. Això és degut al fet que els aliments després d’haver eliminat l’aigua es tornen molt lleugers.[8]

InconvenientsModifica

  • Procés llarg i costos.[3]
  • Requereix personal qualificat en l’operació i manteniment dels equips.
  • Inversió cara d'instalacions i equips.
  • Gran consum energètic requerit.

Existeixen altres riscos provinents de l’operació amb líquids criogènics com el nitrogen líquid o la neu carbònica. I d’altres associats amb el buit: possibles explosions o implosions per canvis de pressió extrems o per treballar amb material en estat defectuós.[10]  

Diferències entre assecat convencional i liofilitzacióModifica

L'assecatge convencional també és un mètode de conserva d'aliments que consisteix a treure l'aigua d'aquests, fet que evita la proliferació de microorganismes i la putrefacció. Se sol fer mitjançant l'evaporació de l'aigua a causa del sol i el vent.[11]

La principal diferència és que l'assecatge convencional utilitza la tècnica d'evaporació mentre que la liofilització es basa en la congelació i la sublimació. Altres diferències serien:[2]

Assecat convencional Liofilització
Obtenció d'aliments secs (verdures i gra) Obtenció de la majoria de productes, però sobretot limitat a aquells que són difícils d'assecar per altres mètodes
És poc satisfactori per la carn Recomanat per carns crues i cuites
Rang de temperatura: 37-93 ºC Temperatures per sota del punt de congelació
Pressions atmosfèriques Pressions reduïdes (25-133 Pascals (Pa))
S'evapora l'aigua de la superfície de l'aliment Se sublima l'aigua del front de congelació
Moviment de soluts i causa algunes vegades enduriment Moviment mínim de soluts
Les tensions en moviments sòlids poden causar dany estructural i encongiment Canvis estructurals o encongiment mínim
Rehidratació incompleta Rehidratació completa
Les partícules poroses seques solen tenir una densitat més alta que l'aliment original Les partícules poroses seques tenen una densitat menor que l'aliment original
Olor i gust anormal (freqüentment) Olor i gust normalment intensificat
Els aliments tenen un color més fosc (freqüentment) Color normal
Valor nutritiu reduït Nutrients retinguts en gran percentatge
Cost generalment baix Cost generalment alt, aproximadament quatre vegades més que l'assecatge convencional

AplicacionsModifica

IndustrialModifica

El lloc que ocupa habitualment és en la producció de medicaments (comprimits, teixits, plasma i sèrums entre altres) a més d'aliments.[2]

Cal destacar entre altres la indústria química on es preparen catalitzadors, l'assecatge de materials orgànics (fusta, flors, preservació d’animals) i conservar documents i llibres antics. Hi ha institucions que ofereixen a l’hora de treballar equips pel treball correcte en la qualsevol de les etapes del procés des del pretractament fins a l’empaquetament. Un exemple és la CIMA Industries.[12]

AlimentàriesModifica

 
Figura 4: Maduixes liofilitzades

Atura el creixement de microorganismes. Inhibeix el deteriorament a causa de reaccions químiques com canvi de color, sabor, ranciesa o pèrdua de propietats nutritives. Així mateix proporciona la facilitat de la distribució i l’emmagatzematge gràcies a la disminució del pes del producte fins a un 90% i no hi ha necessitat de subministrar una cadena de fred. El producte tractat no experimenta canvi de forma i és senzillament re-hidratable. Els aliments solen ser d’elevat valor específic com els següents: llagostins, cafè soluble instantani, racions per muntanyencs i altres esports d’alta exigència, racions militars i per astronautes. En els últims anys s’ha incrementat la utilització d’aliments liofilitzats (trossets de carn i verdures) combinats amb altres deshidratats per calor, per produir a costos més accessibles sopes instantànies i salses. Nutripac S.A. és una de les empreses més importants al Brasil, Argentina i Mèxic referent al camp alimentari.[2]

Així mateix, la llet materna com a exemple de producte testat mostra que mitjançant la liofilització i un emmagatzematge a -80 °C es redueix el contingut de microorganismes mesofílics aeròbics i Staphylococcus epidermis en comparació amb un magatzem a -20 °C. Aquesta informació és un indicador clar del possible ús de la liofilització com a alternativa factible per als bancs de llet humana.[13]

 
Figura 5: Gelat liofilitzat

Un altre exemple d’aliment liofilitzat és la fruita. Trobem que la fruita liofilitzada concentra els antioxidants que inclou en la seva composició. Aquests s’encarreguen de combatre els radicals lliures i com a conseqüència, evitar l’aparició de certes malalties com, per exemple, aquelles que afecten el cor, la diabetis, el Parkinson, l'arterioesclerosis, l’Alzheimer o alguns tipus de càncer. També posseeix un alt contingut de fibra, nutrient que estabilitza els nivells de colesterol, redueix el risc de patir malalties cardiovasculars i sobretot, ajuda a regular la digestió. A més a més, també és de gran ajuda en dietes, ja que controla l’apetit i tenen poques calories. A part d’això, en el procés de liofilització s’augmenta la presència de minerals com el ferro i el potassi, i les vitamines A i C. Això ajuda a mantenir l’anèmia, afavoreix l’eliminació de líquids i millora el sistema immunològic. Per acabar, no requereixen la presència de conservants o aromes artificials.[14] També trobem el gelat liofilitzat o gelat d'astronatutes com a exemple de menjar liofilitzat.

La liofilització com qualsevol pràctica o procés industrialitzats es regeix per unes normes i el material i maquinària utilitzats han de complir certes normatives. Hi ha tot un apartat dedicat a aquesta tècnica en la normativa ISO 13408 concretament la part 3 (ISO 13408-3).[15]

FarmacèuticaModifica

S’utilitza normalment per a augmentar la vida mitjana dels productes que comercialitzen, com a vacunes de virus, ja que es pot extreure l’aigua i conservar-los en un vial de vidre fàcilment emmagatzemat o transportat per a posteriorment ser reconstituït a l'hora d’utilitzar-lo.[16]

Un altre producte són aquells que estan presents en forma de pols i que, posteriorment, es restauraran per a utilitzar-los en injeccions o per a ser consumits. D'aquesta manera es millora la capacitat d'emmagatzemar proteïnes, pèptids, antibiòtics i altres productes que en solucions aquoses són molt menys estables.[17]

Un exemple inesperat d’aplicació directa és en la inclusió de Lactobacillus reuteri com una forma farmacèuticament adequada per protecció de la zona vaginal i així prevenir o combatre possibles infeccions urogenitals en dones. La liofilització era part del procés igual que l’encapsulació prèvia. L’experiment va ser un èxit al contemplar els resultats després de la introducció de L. reuteri que va demostrar ser viable a l'eliminar Streptococcus agalactiae NH 17 i inhibint la formació de biofilms.[18]

TaxidermiaModifica

La liofilització també es pot utilitzar per a la conservació d'animals com peixos, crustacis, amfibis, rèptils, insectes i petits mamífers. A més es poden preservar animals de companyia com gossos. Aquest mètode s’utilitza, ja que és menys invasiu.[19]

Aparició de microorganismesModifica

Tot i ser de les tècniques més utilitzades per a conservar aliments, aquesta no aconsegueix eliminar la totalitat dels microorganismes presents en aquests. Aproximadament s'eliminen més del 90% dels organismes i, a més, en el procés de rehidratació es perden molts més.[20]

Això és gràcies al fet que la liofilització sol causar una destrucció de la membrana plasmàtica de la gran majoria de cèl·lules,[21] tot i que els fongs solen resultar menys afectats.[20]

AlternativesModifica

A causa dels inconvenients que presenta la liofilització es poden utilitzar altres tècniques que donen resultats semblants.

El spray drying és una tècnica que consisteix a aconseguir un pols a partir d’un líquid amb l’ús d’un gas calent. Aquesta és una tècnica emergent que està a prop de la comercialització en la indústria farmacèutica i podria arribar a substituir la liofilització en diversos camps. En contra de la liofilització, aquesta tècnica és més econòmica i el seu cost energètic és menor.[6]

ReferènciesModifica

  1. «liofilització | enciclopèdia.cat». [Consulta: 4 novembre 2020].
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 «LIOFILIZACIÓN DE ALIMENTOS» (en castellà). JUAN SEBASTIÁN RAMÍREZ NAVAS, 2006. [Consulta: 11 novembre 2020].
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 «Liofilización» (en castellà). EcuRed. [Consulta: 11 novembre 2020].
  4. «An In-Depth Look at the Freeze-Drying Process / The ReadyBlog», 06-05-2016. [Consulta: 11 novembre 2020].
  5. «Dispositivo de liofilizacion.» (en anglès). [Consulta: 11 novembre 2020].
  6. 6,0 6,1 Varshney, Dushyant; Singh, Manmohan. History of Lyophilization (en anglés). Primera edició. Nova York: Springer, 20/5/2015, p. 399. ISBN 978-1-4939-2382-3. 
  7. Master, Web. «Las principales etapas de la liofilización – CIMA® INDUSTRIES» (en castellà). [Consulta: 17 novembre 2020].
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 «▷ Ventajas de la liofilización de alimentos» (en castellà), 31-07-2020. [Consulta: 19 novembre 2020].
  9. 9,0 9,1 «4.4 Avantatges respecte d'altres tècniques | Tècniques i operacions avançades al laboratori químic (TALQ)». [Consulta: 12 novembre 2020].
  10. «4.5 Riscos i normes de seguretat | Tècniques i operacions avançades al laboratori químic (TALQ)». [Consulta: 12 novembre 2020].
  11. Introducción al secado de alimentos por aire caliente. [Valencia]: Editorial U.P.V, [2001]. ISBN 84-9705-025-8. 
  12. Master, Web. «La liofilización es la mejor tecnología para la conservación de alimentos – CIMA® INDUSTRIES» (en castellà). [Consulta: 12 novembre 2020].
  13. Salcedo, Jaime; Gormaz, Maria; López-Mendoza, Maria C.; Nogarotto, Elisabetta; Silvestre, Dolores «Human Milk Bactericidal Properties: Effect of Lyophilization and Relation to Maternal Factors and Milk Components» (en anglès). Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition, 60, 4, 2015-04, pàg. 527–532. DOI: 10.1097/MPG.0000000000000641. ISSN: 0277-2116.
  14. «Beneficios de la fruta liofilizada que seguro desconocías» (en castellà). [Consulta: 19 novembre 2020].
  15. «UNE-EN ISO 13408-3:2011 Procesado aséptico de productos para l...». [Consulta: 19 novembre 2020].
  16. Laurent Hansen; R. Daoussi «Freeze-drying of live virus vaccines : a review». Freeze-drying of live virus vaccines : a review, 2015, pàg. 35.
  17. Ken-ichi Izutsu. Applications of Freezing and Freeze-Drying in Pharmaceutical Formulations (en anglès). Singapore: Springer, 05 octubre 2018, p. 400. ISBN 978-981-13-1244-1. 
  18. Juárez Tomás, María Silvina; De Gregorio, Priscilla Romina; Leccese Terraf, María Cecilia; Nader-Macías, María Elena Fátima «Encapsulation and subsequent freeze-drying of Lactobacillus reuteri CRL 1324 for its potential inclusion in vaginal probiotic formulations» (en anglès). European Journal of Pharmaceutical Sciences, 79, 15-11-2015, pàg. 87–95. DOI: 10.1016/j.ejps.2015.08.010. ISSN: 0928-0987.
  19. News, A. B. C. «Grieving Pet Owners Can Opt for Stuffing, Freezing-Drying Deceased Pets» (en anglès). [Consulta: 11 novembre 2020].
  20. 20,0 20,1 Hsi-Chia Chen; Chin-Wen Lin; Ming-Ju Chen. The Effects of Freeze Drying and Rehydration on Survival of Microorganisms in Kefir (Tesi) (en anglés). Taiwan: Department of Animal Science and Technology, National Taiwan University, Taiwan, ROC, p. 5. 
  21. Mohamed I. Shahba, Reda I. El-Sheshtawy, Abdel-Salam I. El-Azab, Alaa E. Abdel-Ghaffar, Maha S. Ziada, Adel A. Zaky, The effect of freeze-drying media and storage temperature on ultrastructure and DNA of freeze-dried buffalo bull spermatozoa, Asian Pacific Journal of Reproduction, Volume 5, Issue 6, 2016, Pages 524-535, ISSN 2305-0500, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2305050016301245

Vegeu tambéModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Liofilització