Use of oscillating electromagnetic fields in the processing of viscous vegetable homogenates

Abstract

ENG- Industrial thermal treatment of liquid foods is often carried out by tunnel pasteurization, or continuous-flow pasteurization by putting the food material in indirect contact with hot water or steam in a way that typically requires high amounts of space, water, and energy. Furthermore, this energy is often generated in boilers powered by fossil fuels, which increases the carbon footprint of the process and limits the sustainability of the food sector.

Radiofrequency (RF) technology is a dielectric heating method that causes heat generation volumetrically within the food material by placing it in contact with an oscillating electromagnetic field at a range of 10 to 300 MHz. This method has the potential to make industrial thermal treatments substantially less resource-intensive and to improve the nutritional and sensory properties of the resulting products.

Within the food sector, vegetable homogenates are particularly difficult to pasteurize using conventional methods due to their high viscosity, and the thermolabile fresh-like properties consumers seek in them. The present doctoral dissertation evaluated the application of RF heating on a tomato-based viscous homogenate using a RF staggered-through field tunnel, as well as a continuous-flow pasteurization unit.

A systematic review was conducted to identify the gaps in the knowledge regarding dielectric heating of liquid foods. It was observed that the mechanisms behind the heating behavior of packaged fluid foods during RF heating had not been approached in the literature.

As a first step, the dielectric properties of a tomato-based homogenate were measured using the coaxial probe method. The effect of temperature, salt content and oil content were evaluated at different frequencies from 10 to 30000 MHz. A predictive model for in-package RF heating on a staggered-through field applicator using the finite-element method was developed. The model was validated with heating experiments using two nominal voltages (3000 V and 5000 V) and two electrode gaps (8.14 and 8.64 cm). The mechanisms behind the temperature distribution and the heating rates of the samples under this heating process were elucidated and the effects of electrode gap, voltage, and formulation were studied. Finally, a method for obtaining an equivalent voltage was described in order to apply one-dimensional equations instead of the calculation-intensive finite-element method.

To study continuous-flow RF pasteurization, a tomato-based homogenate was prepared, salmorejo, using tomato, salt, oil, and other ingredients. Pasteurizations of this product were carried out using conventional continuous-flow pasteurization and continuous-flow RF pasteurization using two different approaches: integrating a STE system for the heat generation or using heat exclusively from an electric boiler. Both RF and CP technologies were compared regarding their energy savings when incorporating STE at different seasons. It was observed that pasteurizations could be carried out almost exclusively with STE in high radiation months. It was also observed that the use of RF pasteurization did not cause higher energy consumptions, moreover, it had the potential to increase the fraction of energy coming from the STE system by reducing the set-point temperature of the buffer tank

CAT- El tractament tèrmic industrial d’aliments líquids normalment es duu a terme mitjançant un túnel o un flux continu de pasteurització que posa en contacte indirecte els aliments amb aigua calenta o vapor d’aigua requerint generalment de grans quantitats d’espai, aigua i energia. A més, aquesta energia se sol generar en calderes que funcionen amb combustibles fòssils, fet que augmenta la petjada de carboni del procés i limita la sostenibilitat del sector alimentari.

La tecnologia de radiofreqüències (RF) és un mètode d’escalfament dielèctric que genera calor volumètricament des de l’interior de la matriu alimentària quan aquesta es sotmet a un camp electromagnètic oscil·lant d’entre 10 i 300 MHz. Aquest mètode permet que els tractaments tèrmics industrials necessitin menys recursos, i la seva aplicació dona lloc a aliments que presenten millors propietats nutricionals i sensorials respecte d’aquells que s’obtenen amb l’aplicació de tractaments tèrmics convencionals.

En el sector alimentari, els homogeneïtzats de vegetals són especialment difícils de pasteuritzar utilitzant tractaments tèrmics convencionals a causa de la seva alta viscositat. A més, els productes que en resulten han perdut en gran mesura les característiques sensorials que recorden al producte fresc i que són aquelles que demanden els consumidors en aquest tipus de producte. En la tesi doctoral que es presenta es va avaluar l’aplicació de l’escalfament per RF en un homogeneïtzat viscós a base de tomàquet utilitzant un túnel de RF amb un elèctrode de camp esgraonat, així com una unitat de pasteurització en flux continu.

De forma prèvia, es va realitzar una revisió bibliogràfica sistemàtica per identificar les mancances quant a coneixement de l’escalfament dielèctric d’aliments líquids. Fruit d’aquesta revisió es va concloure que els mecanismes per explicar el comportament de l’escalfament d’aliments líquids envasats durant el tractament per RF no havien estat estudiats en profunditat.

Com a primer pas, es van mesurar les propietats dielèctriques d’un homogeneïtzat a base de tomàquet utilitzant la tècnica de la sonda coaxial. Es va avaluar l’efecte de la temperatura, el contingut de sal i el contingut d’oli a quatre freqüències diferents entre 10 i 30000 MHz. Es va desenvolupar un model predictiu per a l’escalfament per RF en un aplicador amb un elèctrode de camp esgraonat per mitjà del mètode d’elements finits. El model es va validar amb experiments d’escalfament utilitzant dos voltatges nominals (3000 V i 5000 V) i dues distàncies entre elèctrodes (8.14 i 8.64 cm). Es van dilucidar els mecanismes subjacents de distribució de la temperatura i les velocitats d’escalfament de les mostres amb aquest procés tèrmic i es va estudiar l’efecte de la separació entre elèctrodes, el voltatge i la formulació. Per últim, es va descriure un mètode per obtenir un voltatge equivalent, amb la finalitat d’aplicar equacions unidimensionals en comptes del mètode d’elements finits, el qual requereix de molts més càlculs i de softwares especials.

Per estudiar la pasteurització per RF en flux continu, es va preparar un homogeneïtzat a base de tomàquet, salmorejo, utilitzant tomàquet, sal, oli i altres ingredients. Les pasteuritzacions d’aquest producte es van realitzar aplicant una pasteurització convencional en flux continu i una pasteurització per RF en flux continu utilitzant dos enfocaments diferents: integrant un sistema d’energia solar tèrmica (STE) per a la generació de calor o utilitzant calor generat exclusivament per una caldera elèctrica. En diferents estacions de l’any, es va comparar l’estalvia energètic tant del tractament tèrmic per RC com CP quan s’incorporava l’energia solar tèrmica. Es va observar que les pasteuritzacions es podien realitzar gairebé exclusivament amb STE en els mesos d’alta radiació. També es va observar que la pasteurització per RF no tenia un consum superior d’energia i que potencialment podia augmentar la fracció d’energia provinent de sistema solar (STE) al reduir la temperatura de consigna del depòsit d’inèrcia