[en] Ultrasound (US) and pulsed electric fields (PEF) are emerging food processing technologies that have been investigated for many years for purposes including microbial inactivation, extraction of bioactive compounds, drying of vegetables, and freezing processes. When applied in liquid media, the cavitation caused by US improves mass and energy transfer processes due to microvibrations, turbulence, and microjets. Unfortunately, if US is to be applied to solid foods, they have to be immersed in a liquid medium. This severely limits the scope of industrial implementation for US. Hardly any previous research teams have studied the potential of dry US, i.e., applying US by direct contact between the transducers and the solid food. In the latter type of system, the transducers generate mechanical vibrations, leading to an ultrasonic effect that encourages energy transfer. In the case of PEF, research has focused on its electroporation effect on cell membranes at moderate temperatures (< 50 °C) with the aim of improving microbial inactivation and mass transfer processes in vegetable products. Nevertheless, high energetic PEF treatments applicable in short periods of time (> 150 kJ/kg in seconds) would also allow for rapid volumetric heating of solid foods. Such PEF treatments have the potential to replace traditional heating by convection or conduction, and they can achieve it more uniformly than ohmic heating or ¿Moderate Electric Fields.¿ However, hardly any data is available on this new possible application of PEF. Therefore, the objective of the current thesis was to evaluate several novel ways of applying US and PEF for the purpose of improving traditional food preservation processes that otherwise tend to be costly in time and energy. To this end, the following partial objectives were defined: 1) design, develop and construct different prototypes for the application of PEF and US treatments in the areas under study; 2) assess the potential of US for improving mass transfer processes such as removal of abiotic contaminants from food; 3) evaluate the application of US to improve energy transfer processes such as freezing; 4) study the application of PEF to improve mass transfer processes such as low-temperature dehydration; 5) explore the potential of PEF for ohmic heating of solid food. Our results demonstrate the potential of US combined with heat to enhance the removal of abiotic contaminants from food. We applied US (68 kHz and 500 W) to brown algae (Laminaria hyperborea) immersed in water containing EDTA at 50 °C. As a consequence, arsenic, cadmium, and iodine contents were reduced by 32, 52, and 31%, respectively. In another experiment, we evaluated the effect of mechanical microvibrations that emerged when US was applied by direct contact to chicken breast portions during freezing. We were able to determine an optimal net sonication time (37%) that accelerated energy transfer in the three freezing phases (initial cooling rate, phase change period, and completion of freezing rate), thereby allowing for a reduction of effective freezing time by 10-11%. No significant differences were found in terms of water-holding capacity, cooking loss, or protein digestibility. Finally, a study was carried out in which the homogenization of raw milk by US (20 kHz, 1000 W, and 40 °C) was optimized and in which we evaluated the impact of subsequent pasteurization with PEF, high hydrostatic pressure (HHP), and microwaves (MW) on emulsion stability, fat globule size, and final quality. Results showed that by applying an ultrasonic energy of 1 kJ/mL, mean fat globule size was reduced to 0.22 µm, and overall size distribution was improved (82% of fat globules had a volume of < 0.5 µm) compared to commercial milk (in which 97% of fat globules had a volume of < 1.2 µm). Furthermore, pasteurization treatments by PEF, HHP, and MW did not affect emulsion stability or the size of the fat globules obtained by US. After 28 days of storage at 4 °C, viscosity was not affected in any sample; however, the samples treated by HHP had a more yellowish color than the others. Regarding the studies conducted in this thesis using PEF, one experiment was based on the hypothesis that electroporation of muscle cells might favor the curing process of Spanish dry-cured sausages. Two further studies dealt with the application of PEF as an ohmic heating technology with the purpose of evaluating its potential for microbial and enzyme inactivation. The first experiment demonstrated the potential of PEF to enhance meat dry-curing processes, even at low temperatures. An optimized PEF treatment of 1 kV/cm, 200 µs, and 28 kJ/kg accelerated the drying of minced meat samples by 19 - 33% at laboratory scale. This effect was confirmed when we conducted a pilot plant study using the above PEF conditions and observed a 41- 47% reduction in sausage curing time. In a further study, we evaluated the innovative application of PEF as an ohmic heating system. In this type of heating, the cold spots are located in the areas close to the electrodes. We thus designed and developed a treatment chamber in which the electrodes were warmed by recirculating hot oil inside them. This chamber was used to study the inactivation of Listeria monocytogenes in agar cylinders by applying an ohmic PEF treatment of 2.5 kV/cm and 50 Hz at three electrode warming temperatures (25, 32, and 39 °C). Results showed that heating the electrodes to 39 °C allowed to reduce the samples¿ temperature gradient from 10.5 °C (when not tempered) to 1.7 °C. This was reflected in the uniformity of L. monocytogenes inactivation, as it took 68 s to inactivate 5-Log10 in the cold spot when the electrodes were not tempered, and only 26 s when they were tempered to 39 °C. Finally, the application of ohmic PEF (1.33 kV/cm and 100 Hz) for blanching carrots was studied. In order to apply uniform heating, we observed that an initial blanching water temperature of 85 °C was required. This was because substantial electroporation of the cells occurred in the first moments of heating (cell disintegration index of 0.77), thereby inducing a rapid increase in the carrot¿s electrical conductivity. Thus, after 90 s of ohmic PEF treatment, the core and outer part of the carrot reached 80 °C. However, to achieve complete inactivation of the peroxidase enzyme, it was necessary to apply a subsequent phase in water at 85 °C for 50 s. At any rate, we were able to reduce blanching time by 60% compared to conventional blanching; the carrot¿s texture was not affected. In conclusion, this PhD Thesis has designed and tested new ways of applying PEF and US that could be of interest to the food industry. Some of our experiments opened up the possibility of envisioning more feasible applications of PEF and US on an industrial level, although further studies would be required to assess their scalability.

[es] Los Ultrasonidos (US) y los Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje (PEAV) son consideradas nuevas tecnologías de procesado de alimentos y llevan siendo investigadas durante muchos años para la inactivación microbiana, la extracción de compuestos bioactivos, el secado de vegetales, la congelación, entre otros. Cuando los US se aplican en medios líquidos se produce el fenómeno de la cavitación que mejora los procesos de transferencia de masa y energía debido a microvibraciones, turbulencias y microjets que genera. Sin embargo, para aplicarlos a los alimentos sólidos estos tienen que estar sumergidos en un medio líquido, lo que limita su implementación industrial. En la literatura, apenas hay estudios acerca de la posibilidad de aplicar US en seco mediante contacto directo entre los transductores y el alimento sólido. En este tipo de sistemas, el efecto ultrasónico que se busca es la microvibración mecánica generadas por los transductores que mejoraría la transferencia de energía. En el caso de los PEAV, las investigaciones se han centrado en la electroporación que producen en las membranas celulares a temperaturas moderadas (< 50 °C) para mejorar la inactivación microbiana y los procesos de transferencia de masa en vegetales. No obstante, los tratamientos de PEAV altamente energéticos que pueden aplicarse en cortos periodos de tiempo (> 150 kJ/kg en segundos), también permitirían un calentamiento rápido y volumétrico de los alimentos sólidos, sustituyendo los sistemas de calentamiento convencional por convección o conducción y, además, hacerlo de forma más uniforme que el calentamiento óhmico convencional o los conocidos como "Moderate Electric Fields". Sin embargo, apenas hay resultados acerca de esta nueva aplicación de los PEAV. Por lo tanto, el objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar otras aplicaciones o modos de aplicación de los US y los PEAV que han sido escasamente investigados con el objetivo de mejorar los procesos tradicionales de conservación de alimentos que suponen un coste energético y de tiempo. Para ello, se definieron los siguientes objetivos parciales: 1) diseñar, desarrollar y construir prototipos de aplicación de los PEAV y US para las diferentes áreas de estudio; 2) evaluar el potencial de los US para mejorar los procesos de transferencia de masa como la eliminación de contaminantes abióticos de los alimentos; 3) evaluar la aplicación de los US para mejorar procesos de transferencia de energía como la congelación; 4) estudiar la aplicación de los PEAV para mejorar procesos de transferencia de masa como la deshidratación a baja temperatura; 5) explorar el potencial de los PEAV como un sistema de calentamiento óhmico de alimentos sólidos. Los resultados obtenidos mostraron el potencial de los US combinados con calor para favorecer la eliminación de contaminantes abióticos de los alimentos. Se aplicaron US (68 kHz y 500 W) a algas pardas (Laminaria hyperborean) sumergidas en agua con EDTA a 50 °C y, se observó una reducción del contenido de arsénico, cadmio y iodo del 32, 52 y 31%, respectivamente. Además, en otro estudio, se evaluó el efecto de las microvibraciones mecánicas generadas cuando los US se aplicaron por contacto directo sobre muestras de pechuga de pollo durante la congelación. Se determinó un tiempo óptimo de sonicación (37%) que aceleró la transferencia de energía en las tres fases de congelación (fase inicial de enfriamiento, fase de cambio de estado y fase final de congelación) lo que permitió reducir el tiempo efectivo de congelación en un 10-11%. No se determinaron diferencias significativas en los resultados de capacidad de retención de agua, de pérdidas por cocinado y de digestibilidad de las proteínas. Por último, se realizó un estudio en el que se optimizó la homogeneización de leche cruda por US (20 kHz, 1000 W y 40 °C) y se evaluó el impacto de la pasteurización posterior con PEAV, altas presiones hidrostáticas (APH) y microondas (MW) sobre la estabilidad de la emulsión, el tamaño de los glóbulos grasos y la calidad final de la leche. Los resultados obtenidos mostraron que, aplicando una energía ultrasónica de 1 kJ/mL, el tamaño medio de los glóbulos grasos se redujo a 0,22 μm y la distribución de tamaños mejoró (82% del volumen de glóbulos grasos tenían < 0.5 μm) en comparación con la leche comercial (97% del volumen de glóbulos grasos tenían < 1.2 μm). Además, los tratamientos de pasteurización aplicados por PEAV, APH y MW no afectaron a la estabilidad de la emulsión ni al tamaño de los glóbulos grasos obtenidos por US. Tras 28 días de almacenamiento a 4 °C, la viscosidad no se vio afectada en ninguna muestra, pero las muestras tratadas por APH mostraron un color más amarillento que el resto. En cuanto a los estudios realizados acerca de los PEAV, se realizó un estudio basado en la hipótesis de que la electroporación de las células musculares podría favorecer el proceso de maduración de embutidos crudo-curados y, dos estudios sobre la aplicación del PEAV como tecnología de calentamiento óhmico para evaluar su potencial de inactivación microbiana y enzimática. En cuanto al primero de ellos, esta Tesis Doctoral demuestra el potencial de los PEAV para mejorar los procesos de curado de carne incluso a bajas temperaturas. Así, un tratamiento (optimizado) de PEAV de 1 kV/cm, 200 μs y 28 kJ/kg permitió acelerar el secado de muestras de carne picada en un 19-33% a escala de laboratorio. Este efecto se confirmó cuando se realizó una prueba a nivel de planta piloto utilizando las condiciones de PEAV mencionadas anteriormente, y se observó una reducción del tiempo de curado de los embutidos del 41-47%. Por otro lado, se evaluó la aplicación de los PEAV como sistema de calentamiento óhmico. En este tipo de calentamiento, los puntos fríos se localizan en las zonas próximas a los electrodos, por lo que se diseñó y desarrolló una cámara de tratamiento por contacto directo en la que los electrodos se termostataron recirculando aceite caliente en su interior. Esta cámara se utilizó para estudiar la inactivación de Listeria monocytogenes en cilindros de agar aplicando un tratamiento PEAV-óhmico de 2,5 kV/cm y 50 Hz a tres temperaturas de termostatación de los electrodos (25, 32 y 39 °C). Los resultados indicaron que el calentamiento de los electrodos a 39 °C permitía reducir el gradiente de temperatura de las muestras de 10,5 °C (cuando no estaban atemperados) a 1,7 °C. Esto se reflejó en el estudio de la uniformidad de la inactivación de L. monocytogenes, ya que se necesitaron 68s para inactivar 5-Log10 en el punto frío cuando los electrodos no estaban atemperados y 26s cuando se atemperaron a 39 °C. Por último, se estudió la aplicación de PEAV-óhmico (1,33 kV/cm y 100 Hz) para el escaldado zanahorias. Para aplicar un calentamiento uniforme, fue necesario emplear una temperatura inicial del agua de escaldado de 85 °C. Esto fue debido a que se produjo una alta electroporación de las células en los primeros momentos del calentamiento (índice de desintegración celular de 0,77), lo que hizo que la conductividad eléctrica de la zanahoria aumentase muy rápidamente. Así, tras 90 s de tratamiento de PEAV-óhmico la temperatura de la zanahoria en el centro y en la parte externa era de 80 °C. Sin embargo, fue necesario una fase posterior en agua caliente a 85 °C durante 50 s para alcanzar la completa inactivación del enzima peroxidasa. No obstante, se consiguió reducir el tiempo de escaldado en un 60% en comparación con el escaldado convencional sin afectar a la textura de las muestras. En conclusión, en esta Tesis Doctoral se han evaluado nuevas aplicaciones y modos de aplicación del los PEAV y los US que podrían ser de interés para la Industria Alimentaria. Algunas de ellas facilitan su implantación a nivel industrial, aunque son necesarios más estudios para evaluar su escala.