Los PEF podrían utilizarse con distintos objetivos como la mejora de la extracción de polifenoles o la reducción de la duración de la crianza sobre lías

En las últimas décadas, se ha realizado un gran esfuerzo en el desarrollo de algunas tecnologías que permiten procesar los alimentos a temperaturas inferiores a las habitualmente utilizadas con el objetivo de evitar los efectos adversos que el calor ejerce sobre las propiedades nutritivas y sensoriales de los alimentos. Estas técnicas se denominan genéricamente tecnologías no térmicas de procesado y entre ellas se encuentran las altas presiones hidrostáticas, los ultrasonidos, las radiaciones ultravioleta o los pulsos eléctricos de alto voltaje (PEF, del inglés, Pulsed Electric Fields). De entre estas tecnologías no térmicas la que más ha sido investigada en el campo de la enología ha sido los PEF. Estos tratamientos provocan un fenómeno denominado electroporación que consiste en el incremento de la permeabilidad de la membrana citoplasmática tanto de las células vegetales como microbianas. Estos tratamientos aplicados a distintas intensidades, facilitan la extracción de compuestos fenólicos de la piel de la uva durante el proceso de fermentación-maceración, permiten inactivar microorganismos indeseables del mosto o del vino y recientemente se ha demostrado que aceleran el proceso de autolisis de las levaduras durante la crianza del vino sobre lías. Todos estos efectos pueden resultar de mucho interés para mejorar la competitividad de las bodegas.

La tecnología de los pulsos eléctricos de alto voltaje consiste en la aplicación intermitente de una diferencia de potencial con una duración del orden de la millonésima parte de un segundo (µs) a un producto colocado entre dos electrodos. Como consecuencia, se genera un campo eléctrico (E) cuya intensidad depende tanto de la diferencia de potencial (V) como de la distancia entre los electrodos (d): E=V/d

Cuando el campo eléctrico aplicado supera un determinado valor umbral se produce un fenómeno denominado electroporación que consiste en el incremento de la permeabilidad de las células debida a la formación de poros en su membrana citoplasmática. El campo eléctrico externo que hay que aplicar para electroporar las células depende, entre otros factores, de ciertas características propias de la célula, entre los que destaca su tamaño. Mientras que para electroporar las células de tejidos vegetales se requieren campos inferiores a 10 kV/cm, la formación de poros en las membranas citoplasmáticas microbianas requiere campos eléctricos superiores (por encima de 15 kV/cm).

Los efectos que provocan los PEF sobre las células resultan de mucho interés para la mejora de multitud de procesos de la industria alimentaria, biotecnológica e incluso en el campo de la medicina (Figura 1).

El incremento de la permeabilidad de las células de tejidos vegetales favorece la extracción de compuestos intracelulares mejorando el rendimiento y/o acortando el tiempo en procesos de extracción, por ejemplo, de azúcar de remolacha azucarera, de betanina de remolacha roja, de antocianos de patata morada o de zumo de manzana. Además, este efecto también facilita la salida del agua intracelular acelerando los procesos de deshidratación de los alimentos. Por otro lado, el incremento de la permeabilidad de la membrana citoplasmática de los microorganismos provoca su inactivación por lo que estos tratamientos permiten pasteurizar alimentos sensibles al calor, como los zumos de frutas, a temperaturas inferiores a las utilizadas en el procesado térmico. Otras aplicaciones derivadas de los efectos que provoca esta tecnología son el ablandamiento de frutas, hortalizas y tubérculos disminuyendo la fuerza necesaria para su corte y facilitando su pelado (Puértolas, 2016).

Las cámaras de tratamiento que se utilizan para el procesado de productos líquidos o partículas sólidas de pequeño tamaño suspendidas en un medio líquido como el caso de la vendimia tras su despalillado y estrujado es una cámara con sección circular (configuración colineal) que se puede instalar en las propias conducciones que se utilizan en las empresas para transportar el producto. Para el tratamiento de piezas enteras de fruta u hortaliza se utilizan cámaras de tratamiento de una sección rectangular a través de las cuales circula el producto transportado con una cinta sinfín sumergido en un líquido de gobierno que permite el paso de la energía (Figura 2).

En la actualidad, las principales aplicaciones de los PEF transferidas a la industria alimentaria son la pasteurización de zumos de frutas y el tratamiento de patatas para la fabricación de patatas fritas congeladas. Estas instalaciones son capaces de procesar hasta 3.000 L/h en el caso de los zumos y hasta 50 t/h en el caso de las patatas.

Los efectos que provocan los PEF resultan de mucho interés para la mejora de distintas operaciones que ocurren en las bodegas durante el proceso de elaboración de vino. A continuación se describen las principales aplicaciones de los PEF en este sector.

El proceso de elaboración de vino tinto se caracteriza porque la fermentación del mosto se realiza en contacto con la piel de la uva, comúnmente conocida como hollejos. En esta etapa denominada fermentación-maceración, además de transformarse la sacarosa del mosto en etanol por acción de las levaduras, se produce la transferencia de compuestos fenólicos localizados en las células de la piel de la uva al mosto que está fermentando. Estos compuestos fenólicos juegan un papel fundamental en el color, propiedades sensoriales, capacidad de envejecimiento e incluso en los efectos beneficiosos para la salud derivados del consumo de vino tinto.

Aunque la concentración de compuestos fenólicos que posee un vino tinto depende principalmente de la variedad de uva y de su calidad, las prácticas enológicas que se realizan en la bodega durante la fase de fermentación-maceración también juegan un papel importante.

El procedimiento tradicional para conseguir vinos con un elevado contenido en compuestos fenólicos es mantener los hollejos en los tanques de fermentación-maceración incluso una vez que el proceso de fermentación ha terminado. Esta práctica, que en algunos casos se puede prolongar hasta 30 días, provoca que un porcentaje del volumen de los depósitos esté ocupado por los hollejos lo que dificulta la rotación de los depósitos y, como consecuencia, la capacidad de producción de la bodega. Esta pérdida de capacidad en los depósitos de maceración-fermentación resulta especialmente problemática en la época de vendimia pues en momentos puntuales la bodega puede quedarse sin capacidad para procesar más uva. Esta situación se puede solventar con la adquisición de más depósitos, o intentando acelerar la extracción de los compuestos fenólicos con objeto de reducir el tiempo de maceración. Incrementar el número de depósitos de fermentación-maceración supone una importante inversión en unas instalaciones que se necesitan solo en momentos puntuales de la vendimia y que no serán necesarios una vez terminado el proceso de fermentación-maceración.

En los últimos años, se han propuesto distintas técnicas para facilitar la extracción de compuestos fenólicos de la piel de la uva como la termovinificación, o la 'flash-expansión'. En términos generales, estas tecnologías requieren elevadas inversiones iniciales, altos costos operativos, ocupan una superficie importante de la bodega donde son instalados y, como se produce un calentamiento de la vendimia, suelen dar lugar a vinos en los que se pierde su carácter varietal.

Frente a estas tecnologías, los PEF permiten mejorar la extracción de compuestos fenólicos con unos costes de inversión de la instalación más bajos, con menores costes energéticos, sin aumentar la temperatura de la vendimia y, por lo tanto, manteniendo el carácter varietal de los vinos, sin necesidad de que la instalación ocupe permanentemente un espacio en la bodega (Puértolas 2010, Saldaña, 2016).

La aplicación de tratamientos de PEF a la uva una vez despalillada y estrujada provoca la formación de poros en las membranas de las células de los hollejos facilitando la extracción de los compuestos fenólicos localizados en el interior de las células durante la etapa de fermentación-maceración (Figura 3).

Con estos tratamientos se pueden conseguir vinos con un mayor contenido en polifenoles o reducir el tiempo de maceración sin afectar al contenido final de polifenoles en el vino (López, 2009). Aunque nuestro grupo de investigación de la Universidad de Zaragoza es pionero en las investigaciones sobre la aplicación de los PEF para este objetivo, este efecto ha sido demostrado por distintos grupos de investigación de otros países como Francia, Italia, Alemania o Libia, con variedades de uva típicas de estos países. Hay que destacar que en ninguno de los estudios realizados se ha detectado que el tratamiento afecte negativamente a las propiedades sensoriales del vino obtenido con uva previamente tratada por PEF.

A modo de ejemplo, la tabla 1 muestra los resultados obtenidos durante la maceración-fermentación de uva de la variedad Garnacha tratada por tratamientos PEF de distinta intensidad de campo eléctrico. Se observa que con los tratamientos más intensos (6 y 8 kV/cm) se consiguió con un tiempo de maceración de 4 días un vino con una mayor intensidad de color y un contenido mayor de polifenoles, antocianos y taninos que el vino control en el que la maceración se extendió a los 12 días. Resultados similares se obtuvieron en los vinos elaborados con uva tratada a intensidades de campo eléctrico inferiores (1 y 4 kV/cm) cuando el tiempo de maceración se prolongó hasta los 6 días. Por lo tanto, el tratamiento PEF permitió reducir el tiempo de contacto de los hollejos con el mosto entre 6 y 8 días obteniéndose vinos al final de la fermentación con un contenido en polifenoles, antocianos y taninos que el vino control con 12 días de maceración. La energía específica de todos los tratamientos aplicados fue inferior a 7 kJ/kg lo que indica que si el tratamiento se hubiera aplicado al agua su temperatura hubiera aumentado menos de 2 °C.

La crianza sobre lías es una práctica enológica que tiene como objetivo principal enriquecer el vino con manoproteínas procedentes de la pared celular de las levaduras. Las manoproteínas contribuyen positivamente a la calidad del vino ya que favorecen la estabilidad tartárica, proteica y de la materia colorante además de mejorar la percepción organoléptica del vino contribuyendo a mejorar la sensación de cuerpo y volumen.

Aunque durante el proceso de fermentación alcohólica se produce cierta liberación de manoproteínas, es durante la autolisis de las levaduras en la crianza del vino con las lías cuando los vinos se enriquecen en estos componentes. La autolisis que ocurre tras la muerte de las levaduras es un proceso complejo que implica la destrucción de las membranas de los orgánulos celulares de la membrana citoplasmática y la liberación al espacio periplasmático de enzimas citoplasmáticos que provocan la desintegración de la pared celular y la liberación de manoproteínas al medio.

El enriquecimiento del vino con manoproteinas bien exógenas o mediante contacto prolongado de los vinos con sus lías es una operación frecuente en las bodegas. La adición de manoproteínas exógenas supone un coste adicional al proceso de elaboración de vino mientras que la crianza sobre lías requiere tiempos de contacto de al menos tres meses con remontados frecuentes lo que implica riesgos de crecimiento de flora indeseable en el vino y costes de mano de obra.

Resultados obtenidos en nuestro laboratorio han demostrado que la electroporación de las células de las levaduras mediante PEF acelera la autolisis de las levaduras en el proceso de crianza sobre lías (Figura 4). Se observó que los niveles de manoproteínas que se obtenían tras tres meses de crianza sobre lías en vino blanco de la variedad Chardonnay se conseguían en 18 días cuando las levaduras habían sido previamente tratadas por PEF. La figura muestra como la mayor concentración de manoproteínas en el vino que contenían levaduras tratadas por PEF facilitaba su clarificación tras su centrifugación (Martínez, 2016).

Al igual que en cualquier otra industria alimentaria, el desarrollo de microorganismos alterantes es un problema que puede causar grandes pérdidas económicas en las bodegas. Debido a que el tratamiento térmico afecta a las propiedades sensoriales del vino, el principal procedimiento utilizado en las bodegas para evitar los riesgos de alteraciones microbiológicas es la adición de SO₂ en distintas etapas del proceso de elaboración del vino y la filtración esterilizante antes de su embotellado. Aunque existe mucha controversia en relación al uso del SO₂ en el proceso de elaboración del vino debido a que puede causar efectos negativos en la salud de los consumidores, especialmente de aquellos que tienen una sensibilidad especial, por el momento, debido a los múltiples efectos beneficiosos que este compuesto ofrece en el proceso de elaboración del vino no existe ninguna alternativa. Por otro lado, la filtración esterilizante se ha mostrado como un proceso eficaz de estabilización microbiológica del vino antes de su embotellado. Sin embargo, se trata de un proceso costoso económicamente y que puede afectar negativamente a las propiedades sensoriales del vino.

La capacidad de los PEF de inactivar microorganismos a temperaturas inferiores a las utilizadas en el procesado térmico es un efecto muy atractivo no solo para la industria alimentaria en general sino también para las bodegas. Distintos estudios han demostrado la inactivación de levaduras (Dekkera anómala, Dekkera bruxellensis) y bacterias (Lactobacillus plantarum, Lactobacillus hilgardii) responsables de la alteración del vino mediante tratamientos de PEF aplicados tanto en el mosto como en el vino. Debido a que el tamaño de los microorganismos es inferior al de las células de la piel de la uva, para conseguir inactivar entre 99,9 y 99,99% de la población de estos microorganismos se requieren tratamientos más intensos que para favorecer la extracción de los polifenoles (Puértolas, 2009).

A la vista de los resultados obtenidos, el tratamiento del mosto antes de la fermentación podría además de contribuir a reducir o eliminar la adición de SO₂ permitiría una fermentación más reproducible por parte de los cultivos iniciadores al no estar presentes o en menor concentración las levaduras salvajes en el mosto. Por otro lado, un tratamiento de PEF al vino antes de su embotellado podría evitar la última filtración que se le hace al vino antes de su embotellado preservando sus propiedades sensoriales.

El proyecto FieldFOOD (www.fieldfood.eu) es un proyecto financiado por la UE dentro del programa H2020 que está coordinado por el grupo de Nuevas Tecnologías de Procesado de la Universidad de Zaragoza. El objetivo del proyecto es promover la implantación de la tecnología de PEF en distintas sectores de la industria alimentaria: vino, aceite, tomate, zumos de frutas y sidra. En el proyecto, participan 5 centros de investigación, 1 empresa fabricante de equipos de PEF, 5 empresas potenciales usuarias de la tecnología, entre las que se encuentran dos empresas españolas (Agrinarsa y Bodegas Aragonesas), y EFFOST (Federación Europea de Ciencia y Tecnología de los Alimentos (Figura 5). Durante el primer año del proyecto, se identificaron los requerimientos específicos de cada industria con objeto de diseñar equipos de PEF modulares, portátiles y de bajo coste adaptados a las necesidades específicas. Durante el segundo año del proyecto, estos equipos se instalaron en las líneas de producción de las empresas participantes en el proyecto y se demostraron los beneficios de la tecnología aplicando los tratamientos a los mismos requerimientos de procesado o muy próximos a los que habitualmente se utilizan en la empresa. Los resultados obtenidos durante el segundo año de procesado se confirmarán en un tercer año en el que se tratará de satisfacer todos los requerimientos de procesado de todas las industrias.

Uno de los mayores impedimentos para la implementación de los PEF en la industria alimentaria ha sido el elevado coste de los equipos disponibles. Sin embargo, con el avance de la tecnología, se han conseguido desarrollar equipos de PEF con potencia suficiente como para ser instalados en las industrias y a costes cada vez más reducidos. La tabla 2 muestra los costes por tonelada de uva procesada que supondría la implantación de la tecnología en una bodega cuyo objetivo fuese mejorar la extracción de compuestos fenólicos. Para el cálculo de la amortización, se ha considerado una vida útil de 5 años con un valor residual del 40% al cabo de ese tiempo. El valor del equipo ha sido considerado en 60.000 € con una capacidad de procesado máxima de 3.600 t por temporada de vendimia.

En los cálculos de amortización, no se ha considerado el uso del equipo en otras aplicaciones como el tratamiento de levaduras para acelerar la crianza sobre lías o para la inactivación microbiana, lo que podría suponer un ahorro adicional tanto energético como de material y de mano de obra. Los tratamientos permitirían reducir el tiempo de maceración entre 50 y el 60% del tiempo, obteniéndose vinos con un contenido en polifenoles similar o incluso superior.

Los PEF es una tecnología de procesado de los alimentos con multitud de aplicaciones en la industria alimentaria, pero especialmente en las bodegas. A diferencia de otras tecnologías que en la actualidad se están instalando en las bodegas para mejorar alguna etapa específica del proceso de elaboración de vino, los PEF podrían utilizarse con distintos objetivos como la mejora de la extracción de polifenoles, la reducción de la duración de la crianza sobre lías o la inactivación de microorganismos indeseables.

El reciente desarrollo de aparatos de PEF con potencia suficiente para cumplir con los requerimientos de procesado de las bodegas, la fácil instalación de las cámaras de tratamiento en las líneas de procesado ya existentes y el bajo consumo de energía de la tecnología son las claves para que los PEF sea una tecnología viable en las bodegas en la actualidad (Figura 6).

Bibliografía

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• Martínez, J.M., Cebrián, G., Álvarez, I., Raso, J., 2016. Release of Mannoproteins during Saccharomyces cerevisiae Autolysis Induced by Pulsed Electric Field. Front Microbiol 7. doi:10.3389/fmicb.2016.01435
• Puértolas, E., López, N., Condón, S., Raso, J., Álvarez, I., 2009. Pulsed electric fields inactivation of wine spoilage yeast and bacteria. International Journal of Food Microbiology 130, 49–55. doi:10.1016/j.ijfoodmicro.2008.12.035
• Puértolas, E., Saldaña, G., Condón, S., Álvarez, I., Raso, J., 2010. Evolution of polyphenolic compounds in red wine from Cabernet Sauvignon grapes processed by pulsed electric fields during aging in bottle. Food Chemistry 119, 1063–1070. doi:10.1016/j.foodchem.2009.08.018
• Puértolas, E., Saldaña, G., Raso, J., 2016. Pulsed Electric Field Treatment for Fruit and Vegetable Processing, in: Miklavcic, D. (Ed.), Handbook of Electroporation. Springer International Publishing, Cham, pp. 1–21. doi:10.1007/978-3-319-26779-1_181-1
• Saldaña, G., Luengo, E., Puértolas, E., Álvarez, I., Raso, J., 2016. Pulsed Electric Fields in Wineries: Potential Applications, in: Miklavcic, D. (Ed.), Handbook of Electroporation. Springer International Publishing, Cham, pp. 1–18. doi:10.1007/978-3-319-26779-1_155-1