Herramientas avanzadas de modelización matemática para el procesado de alimentos y la evaluación de la seguridad alimentaria

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Existe un interés creciente en la modelización matemática para afrontar los problemas cada vez más complejos a los que se enfrentan las industrias alimentarias con el objetivo de asegurar tanto la calidad como la seguridad de los alimentos. Si bien la cantidad de datos disponibles ha experimentado un aumento extraordinario en las últimas décadas, su complejidad no permite, en muchas ocasiones, el uso de herramientas convencionales de análisis. Por ello, es esencial el desarrollo de una nueva generación de herramientas matemáticas que puedan implementarse en el ámbito de los procesos alimentarios de forma eficiente, cuyos resultados sean accesibles a los responsables de la toma de decisiones para poder avanzar hacia la producción de alimentos de mayor calidad y más seguros. En esta tesis doctoral se desarrollan herramientas de modelización aplicadas a la seguridad alimentaria desde el punto de vista microbiológico y toxicológico. Se proponen nuevas estrategias y técnicas que combinan las ya existentes con el fin de generar directrices y pautas para ser utilizadas en la toma de decisiones por parte de los agentes implicados en relación con la seguridad y calidad alimentaria. Las herramientas propuestas comprenden diferentes metodologías como la modelización, la simulación y el análisis de procesos de inactivación microbiana, así como métodos de estadística aplicada y de investigación operativa para optimizar procesos y diseñar experimentos que permitan mejorar la precisión de los modelos matemáticos. La tesis se basa en cuatro de los artículos publicados en este periodo de formación. Los dos primeros tratan sobre diseño óptimo de experimentos en microbiología predictiva haciendo una diferenciación entre experimentos isotermos y no isotermos (dinámicos). Se concluyen con unas pautas y consejos para la toma de decisiones en relación a cómo diseñar los experimentos con el fin de maximizar la información obtenida en los mismos. Por otro lado, en el segundo bloque de publicaciones se aborda la seguridad alimentaria desde el punto de vista abiótico. En particular, respecto a la producción de acrilamida en tratamientos térmicos y su relación con otros parámetros de calidad y seguridad. Estos estudios introducen la optimización como herramienta para resolver problemas prácticos como el proceso de fritura de las patatas o procesado térmico de alimentos usados en comida para bebés (con restricciones más severas en cuanto a concentración de este tipo de compuestos). Los resultados indican, por un lado, que procesos a mayor temperatura garantizan la seguridad biológica al tiempo que minimizan la producción de acrilamida y, por otro, que en ciertos procesos como la fritura de la patata los niveles de acrilamida están por encima de las recomendaciones de la Agencia Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) cuando se intenta maximizar otros parámetros de calidad. Además, también se proponen unas guías que permiten diseñar procesos térmicos que minimizan el contenido de acrilamida maximizando la seguridad y calidad de los alimentos.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. There is a growing interest in mathematical modeling to address the increasingly complex problems faced by food industries in order to ensure both food quality and safety. Although the amount of available data has experienced an extraordinary increase in the last decades, its complexity does not allow, on many occasions, the use of conventional analysis tools. Therefore, it is essential to develop a new generation of mathematical tools that can be implemented in the field of food processes in an efficient way, whose results are accessible to decision-makers in order to move towards the production of higher quality and safer food. In this doctoral thesis, modeling tools applied to food safety from a microbiological and toxicological point of view are developed. New strategies and techniques are proposed that combine the existing ones to generate guidelines and recommendations to be used in decision-making by stakeholders involved in food safety and quality. The proposed tools are framed within different scientific and engineering fields, such as modeling, simulation and analysis of microbial inactivation processes, as well as methods of applied statistics and operational research to optimize processes and designs of experiments that improve the accuracy of mathematical models. The thesis is based on four of the papers published during this training period. The first two deal with the optimal design of experiments in predictive microbiology distinguishing between isothermal and non-isothermal (dynamic) experiments. They conclude with some guidelines and advice for decision-making concerning how to design the experiments to maximize the information obtained from them. On the other hand, the second block of publications deals with food safety from the abiotic point of view. In particular, the production of acrylamide in heat treatments and its relationship with other quality and safety parameters. These studies introduce optimization as a tool to solve practical problems such as the potato frying process or thermal processing of foods used in baby food (with more severe restrictions on the concentration of this type of compounds). The results indicate, on the one hand, that higher temperature processes guarantee biological food safety while minimizing acrylamide production and, on the other hand, that in certain processes such as potato frying, acrylamide levels are above the recommendations of the European Food Safety Agency (EFSA) when trying to maximize other quality parameters. In addition, guidelines are also proposed that allow designing thermal processes that minimize acrylamide content while maximizing food safety and quality. Therefore, this thesis develops different methodologies to solve, guide and improve processes where food safety and quality can be affected. It provides an engineering vision to some of these problems and contributes with guidelines that can be useful for decision-making in food safety and quality.