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Con microondas, radiofrecuencia, infrarrojos y calentamiento dieléctrico la inactivación de patógenos es rápida y se ahorra energía

Estabilización de alimentos por calentamiento no óhmico

Pascual Bolufer, Institut Químic de Sarrià (IQS)15/03/2013
En la entrevista para la revista Interempresas al ingenierio químico especializado en la ciencia del café Marino Petracco, se discutió sobre el café verde, tostado y torrefacto. En el verde el aroma es mucho menor, al torrefacto le han añadido azúcar, el tostado es el de mejor calidad. El tratamiento era de calentamiento tradicional, fuego o termias. Hemos progresado, y preferimos el calentamiento electromagnético. El tema de hoy, aporta ventajas: es el calentamiento por microondas (MW), Radiofrecuencia (RF), Infrarrojos (IR) y dieléctrico (CD). Al estabilizar el alimento se añaden ventajas, como el calentamiento volumétrico. Se logra la pasteurización e incluso la esterilización a menores temperaturas y tiempos más cortos que en la tecnología convencional térmica.
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La industria de precocinados de arroces necesita pasteurizar antes de distribuir.

La radiación electromagnética

La interacción de la radiación electromagnética de una cierta longitud de onda con el alimento produce vibración, o rotación de las moléculas, lo que supone disipación de energía térmica, que es absorbida por el alimento. La radiación MW/RF tiene mayor poder de penetración. En cambio la IR es una radiación de baja penetración, que produce un efecto más superficial. El gráfico núm. 1 muestra el espectro electromagnético y las longitudes de onda de los distintos tipos de radiaciones. La radiación electromagnética puede interaccionar con la materia de 3 formas: transmisión, absorción, o reflexión. La forma de interacción depende del tipo de materia con la que entra en contacto y la frecuencia de radiación.
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Gráfico 1: Espectro electromagnético. A la izquierda, a partir del UV no lo empleamos para calentamiento.

Profundidad de penetración

Esa capacidad de penetración depende de la energía y de la frecuencia: la radiación MW o RF penetra más en el alimento que la IR, y permiten operar de forma continua, más económica, mayor valor añadido en el alimento, y ocupan menos espacio que la tecnología convencional. Estas radiaciones no son ionizantes, no precisan precauciones especiales en los alimentos procesados por ellas.

La RF es idéntica a las microondas en términos de calentamiento, pero aporta la ventaja de que permite un calentamiento más uniforme en alimentos de composición homogénea, y sobre todo una mayor profundidad de penetración, que puede ser utilizada en la pasteurización o esterilización de productos líquidos. En calentamiento la profundidad de penetración de la RF supera un metro. Puede determinarse a partir de la constante dieléctrica, el factor de pérdida, la velocidad de propagación de las ondas en el vacío y la frecuencia de la operación. En soluciones de almidón se han medido profundidades de penetración de 0,2 a 2,1 m en la banda de radiofrecuencias. Cuando se enriquecen con contenidos de sal elevados, la profundidad de penetración se reduce mucho.

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Preparando platos antes de llevar al microondas.
Wang et al (2003) trabajando con pasta cocinada de macarrones han medido profundidades de penetración de radiación RF (27 y 40 MHz) 4 veces superiores a las de MW (915 y 2450 MHz) para varias temperaturas en la banda 20-121 °C. Esto permite a la radiación RF penetrar en el material, tratarlo más profundamente y conseguir un calentamiento más uniforme en todo el espesor del alimento que las MW.

Radiofrecuencia

La RF es más apropiada para la pasteurización de envasados o precocinados de gran formato. Los límites de la banda están poco definidos, pero una banda aceptada va de 0,3 - 3.000 kHz. Tiene muchas propiedades comunes con MW: calentamiento volumétrico, elevada eficiencia energética, penetrabilidad, rapidez, etc. En RF para evitar interferencias con las señales de radio, TV, equipos militares o médicos, las frecuencias RF en la industria alimentaria se restringen a unas bandas concretas: 13,56 MHz, 27,12 MHz y 40,68 MHz. Un equipo de RF para procesar alimentos líquidos consta de un generador de RF y una red de impedancia variable, que permite controlar la potencia de la radiación aplicada. El alimento es bombeado a través de un tubo de PTFE, en donde es irradiado.

La pasteurización de la leche en continuo, por RF, da buenos resultados. Se ha utilizado leche inoculada con poblaciones elevadas de ‘Listeria innocua’ a 57 °C, 50,7 segundos, potencia 1.100W, y se ha logrado una reducción de ‘Escherichia coli’ importante.

Awuah et al. en 2005 trabajando con radiación RF (1.200 W frecuencia de 27,12 MHz) para eliminar E.coli y ‘Listeria innocua’ lograron reducciones logarítmicas de 5, que equivalen a una reducción de porcentaje de 99,99%. O sea, si al comienzo hay 6.000.000 bacterias, una reducción logarítmica de 5 supone dejar solo 60 bacterias. Los tiempos de tratamiento son de 55 segundos y una temperatura de salida de 65 °C.

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Una cinta continua, que avanza de izquierda a derecha, con 4 platos por línea.

Microondas

La generación de calor por microondas en los alimentos se produce por dos mecanismos: conducción iónica y rotación de dipolos. En el primer caso se produce un desplazamiento de los iones presentes en el alimento, según la dirección del campo eléctrico alterno, debido a la radiación de la microonda. Su desplazamiento produce colisiones, transmisión de energía cinética y generación de calor. Por otra parte los dipolos del alimento rotarán para orientarse en el campo eléctrico de elevada frecuencia (915 a 2450 MHz), lo que también genera fricción y calor. Este último es el más importante en alimentos con un importante contenido de agua.

Llamamos ‘calentamiento volumétrico’ al calor que generan las microondas en el interior del alimento, a una determinada profundidad, por transferencia de la energía del campo electromagnético. Este calentamiento volumétrico no se produce del exterior al interior, sino que se produce en todo el volumen del alimento, y uno de sus efectos es incrementar la vida útil del alimento. El aumento de temperatura en un alimento durante un tratamiento por microondas varía en función de factores físicos como forma-peso, volumen, factor de pérdida dieléctrica, calor específico, conductividad térmica y fluidez

Se ha estudiado la destrucción de microorganismos con MW, al parecer por inactivación térmica. No existe efecto ionizante, por la baja energía que poseen las MW. La termodegradación es inferior a la obtenida con otros métodos de calentamiento convencionales. Para ello se han utilizado las vitaminas hidrosolubles C, B1 y B2 como indicadores nutricionales de cambios cualitativos durante la cocción por microondas. Se han medido reducciones del contenido de vitamina C dos veces inferiores en el calentamiento por microondas durante procesos convencionales de secado, con contenidos de humedad comparables.

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Surtido de pescados para pasteurizar.
Respecto de la vitamina termolábil tiamina, se ha observado que un tratamiento de 20 segundos con microondas no tiene efecto alguno sobre el contenido de tiamina.

La fuente de generación de MW es el magnetrón, con un tubo guía de ondas para conducir esta radiación hacia la cámara de tratamiento. En la cámara un ventilador con hojas metálicas reflectoras dispersan la MW adecuadamente. En el equipo industrial continuo el alimento a tratar circula mediante una cinta transportadora a lo largo de un túnel, y es sometido a la radiación MW. En el equipo casero discontinuo el alimento se coloca sobre un plato giratorio, que permite la distribución uniforme de las ondas.

Para conocer la inactivación de microorganismos se ha usado un microondas de 600 W y 2.450 MHz. El alimento era carnes almacenadas a 5 °C. Los tiempos de exposición han sido de 10, 20 y 30 segundos. En la carne se han logrado 45, 65 y 85 °C. Se ha logrado una reducción logarítmica importante de microorganismos. No hay pseudomonas, coliformes, ni Estaphylococci coagulasa. Quedan bacterias del género 'Bacillus'.

En la pasteurización de sidra de manzana con MW se ha obtenido una reducción logarítmica de 5,2 de Eschirichia coli con un magnetrón de 2.450 MHz, con control de potencia variable de 0 a 2.500 W. Los costes energéticos del calentamiento con MW son comparables a los de otras técnicas convencionales en pasteurización y esterilización, pero pueden disminuir, si usamos magnetrones con vida útil de 5.000-6.000 horas.

Radiación infrarroja

La banda infrarroja abarca desde una longitud de onda de 0,8 micras hasta 20 micras, en el infrarrojo térmico. Esta radiación produce una cierta vibración en los enlaces intramolecular y extramolecular de las moléculas que forman parte de los alimentos, lo que supone fricción molecular y elevación de la temperatura.

La capacidad de penetración de la radiación infrarroja es baja, por lo tanto el calentamiento es superficial, y luego el resto del alimento es calentado por conducción desde las superficies exteriores calientes. Los equipos de calentamiento por infrarrojo suelen ser de funcionamiento continuo. El alimento es desplazado mediante una cinta transportadora hacia una fuente de radiación infrarroja, que se encuentra sobre el producto a una altura variable. La duración del tratamiento se regula cambiando la velocidad de la cinta.

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Los restaurantes reciben los alimentos ya pasteurizados.

Calentamiento dieléctrico

Es la elevación de la temperatura que existe en un material cuando se le somete a un campo eléctrico alterno. El alimento se sitúa entre dos placas denominadas capacitantes y que actúan como electrodos. Éstas se conectan a un generador alterno de alta frecuencia y capacidad. El calor se genera como en MW por fricción, debida a la rotación de moléculas bipolares, que se orientan según el campo alterno de elevada frecuencia. En MW el fenómeno generador de calor es una radiación, mientras que en el calentamiento dieléctrico es un fenómeno electrostático. El calentamiento es muy rápido y las pérdidas de energía mínimas. Evita el sobrecalentamiento local, por lo que se reduce el deterioro térmico del alimento. La profundidad de penetración es mayor que en la MW, por utilizar frecuencias menores.

Inactivación de microorganismos

Las radiaciones IR, RF, MW y CD, como es sabido, producen la muerte de los microorganismos por elevación de temperatura. Un criterio de esterilización térmica es el tratamiento de 121 °C durante 3 minutos. Supone la eliminación del esporulado ‘C.botulinum’, y permite la destrucción de sus células vegetativas y esporas. La pasteurización permite no la esterilidad, pero sí la prolongación de vida útil del alimento, por destrucción térmica de microorganismos patógenos y alterantes de tipo psicrófilo y mesófilo sin formas de resistencia. Ante el aumento de temperatura los microorganismos termófilos y los esporulados ofrecen mayor resistencia.
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Después de pasteurizar cada plato, se envasa en atmósfera modificada, es decir, con poco oxígeno y mucho CO2.

Efectos del calor sobre el alimento

El calentamiento volumétrico que producen las MW, RF y CD hacen el tratamiento térmico más rápido y más uniforme, lo que permite en general lograr una mejor calidad del producto. ¿La cocción con radiación disminuye el contenido de vitaminas del alimento? Se han usado las vitaminas C, B1 y B2 como indicadores nutricionales de cambios cualitativos durante la cocción y recalentamiento con microondas, y se ha observado que la termodegradación es inferior a la que ocurre con los tratamientos térmicos tradicionales (Gerster 1989). Se han medido reducciones de la vitamina C dos veces inferiores en el calentamiento con MW, que con el tratamiento térmico convencional.
Referencias bibliográficas

- Awuah, G. Inactivation of Escherischia coli K-12 in milk using radio frequency heating. Innovative Food Science, 2005, 396-402.

- Bookwalter, H. Microwave processing to destroy Salmonellae in corn-soy-milk blends and effect on product quality. J.Food Sci 1982, 683-686.

- Brown, J. An exploration on the effects of strong radio-frequency fields on microorganisms in aqueous solutions. Food Techn. 1954, 361-366.

- Cañumir, J. Pasteurization of apple juice by using microwaves. Lebensm.-Wiss und Technol. 2002, 389-392.

- Cunningham, G. Influence of microwave radiation on psychrotrophic bacteria. J.Food Prot. 1980, 651-655.

- Fujikawa, L. Kinetics of Escherischia coli destruction by microwave radiation. Appl.Environment. Microbiol. 1992, 920-924.

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