La tecnología de ultrasonidos, desarrollada durante la Primera Guerra Mundial para la detección de los submarinos, cuenta hoy con variadas aplicaciones en alimentos. Los ultrasonidos pueden definirse como ondas acústicas inaudibles de una frecuencia superior a 20 kHz. Se diferencian ultrasonidos de baja intensidad (<1 W cm-2, 0.1-20 MHz) o de alta intensidad (10-1000 W cm-2, <0.1 MHz). Los primeros son excelentes para medir propiedades del medio en el que se propagan ya que no producen ninguna modificación. Los de alta intensidad, sin embargo, pueden provocar cambios físicos y químicos en el material en el que se aplican.
Durante el tratamiento con ultrasonidos los efectos son principalmente mecánicos, y se producen ciclos de expansión y compresión de forma alterna. Durante los ciclos de expansión los ultrasonidos provocan el crecimiento de las burbujas existentes en el medio o la formación de otras nuevas. Cuando éstas alcanzan un volumen al que no pueden absorber más energía, implosionan violentamente, provocando microcorrientes, el colapso de las moléculas del líquido y, consecuentemente, inactivación microbiana. Este fenómeno es lo que se conoce como cavitación.
Durante la cavitación se llegan a alcanzar dentro de las burbujas, durante tiempos muy cortos, temperaturas de hasta 5.500°C y presiones de 50 MPa. Hay autores que creen que los microorganismos sobreviven bajo estas condiciones, ya que los tiempos son muy cortos, pero no son capaces de soportar los cambios bruscos de presión que se originan durante la cavitación. Otras hipótesis consideran que la formación de radicales libres puede afectar al ADN de los microorganismos. Aunque es un proceso no térmico, también ha de considerarse que parte de la energía puede absorberse como calor elevando en cierta medida la temperatura del alimento.
Es difícil establecer los límites entre todas estas hipótesis y, probablemente, la inactivación microbiana se produzca como consecuencia de una mezcla de los mecanismos anteriores. De cualquier modo, lo que sí se ha demostrado es que las formas esporuladas son tremendamente resistentes a la acción de los ultrasonidos (se requieren horas para su inactivación), mucho más que las formas vegetativas. Respecto a los enzimas, existen estudios contradictorios. Parece ser que el efecto es complejo, ya que pueden producirse activaciones e inactivaciones dependiendo de diversos factores, entre ellos la estructura molecular del enzima.
Aplicaciones de los ultrasonidos
La combinación de ultrasonidos con calor o presión inactiva microorganismos y enzimas especialmente resistentes al calor
Los ultrasonidos de alta intensidad se han venido utilizando para limpieza de equipos, desgasificado de líquidos, homogeneización, inducción de reacciones de oxidación/reducción, extracción de enzimas y proteínas, inducción de la nucleación durante la cristalización, entre otras aplicaciones. Hasta el momento se han desarrollado equipos a escala semi-industrial e industrial encaminadas a la eliminación de espumas y deshidratación de vegetales.
La mayor parte de los estudios sobre la aplicación de los ultrasonidos de alta intensidad como técnica de conservación han sido llevados a cabo a escala de laboratorio y no se ha realizado un escalado industrial. Algunos autores han apuntado que, en comparación con los tratamientos térmicos convencionales, se precisa una mayor cantidad de energía para llegar a inactivar los microorganismos.
Dado que se ha visto un escaso efecto de los ultrasonidos sobre los enzimas y los microorganismos, la mayoría de las investigaciones se han encaminado a la combinación de los ultrasonidos con calor (termosonicación), presión (manosonicación) o ambos (manotermosonicación), encontrándose un efecto aditivo o sinérgico, dependiendo de cada caso. Estas combinaciones han resultado ser muy útiles en la inactivación de microorganismos y enzimas especialmente resistentes al calor. La manosonicación y la manotermosonicación pueden ser particularmente eficaces en la pasterización y esterilización de mermeladas, salmueras o huevo líquido, y para la descontaminación de vegetales crudos.
Inactivación microbiana y enzimática
Para llevar a cabo un tratamiento exitoso con ultrasonidos (con o sin combinación con otros procesos) han de tenerse en cuenta factores como la amplitud de las ondas, el tiempo de exposición, el tipo de microorganismo o enzima, el volumen, composición y pH del alimento, así como la temperatura y la presión en los procesos combinados. Uno de los sustratos en los que más ha sido estudiado el efecto de los ultrasonidos es la leche. La mayor parte de los estudios se han realizado en discontinuo. Sin embargo, en los procesos en flujo continuo resulta más fácil llevar a cabo el escalado a nivel de planta piloto e industrial.
En el año 2000 se desarrolló un sistema en flujo continuo mediante ultrasonidos de alta intensidad en el que se alcanzaban temperaturas cercanas a 70°C. Dicho sistema permitía llevar a cabo inactivaciones eficaces de microorganismos tales como Pseudomonas fluorescens y Streptococcus thermophilus en sistemas modelos. Mediante este proceso se lograba no sólo la pasterización de la leche sin efectos adversos sobre proteínas y enzimas nativas de la leche, sino también la homogeneización simultánea de la misma. Además, una ventaja añadida de este sistema es que la temperatura de la pared de la cámara de tratamiento es inferior a la del alimento.
En alimentos ricos en sales y proteínas, como es el caso de la leche, es particularmente útil ya que se reduce la formación de depósitos y se mejora la calidad de la leche tratada. Posteriormente se desarrolló una planta piloto mediante ultrasonidos para llevar a cabo tratamientos de la leche utilizando la combinación de ultrasonidos con un moderado tratamiento térmico. Se han realizado estudios sobre la aplicación de la manotermosonicación al procesado de leche y zumo de naranja y se ha observado que, en general, la calidad nutritiva de estos alimentos no se ve significativamente afectada. Este mismo proceso se ha empleado en el tratamiento de leche destinada a la elaboración de yogur, comprobándose que los yogures obtenidos presentaban una adecuada consistencia y viscosidad.
Dado que las ondas acústicas favorecen la transferencia de masa, reducen la energía del agua ligada y mejoran la difusión, otra de las aplicaciones importantes de los ultrasonidos como técnica de conservación es la deshidratación de alimentos. Los primeros estudios se llevaron a cabo en combinación con aire caliente, pero los mejores resultados se obtuvieron aplicando la vibración ultrasónica en contacto directo con el alimento y en combinación con una presión estática. Este proceso llegó a desarrollarse a escala industrial. Se trata de un método que es de dos a tres veces más rápido que con el aire caliente, mediante el cual se llegan a deshidratar vegetales hasta un 99% sin modificaciones en la calidad. Las ventajas de este proceso de deshidratación frente a la deshidratación convencional mediante aire caliente serían un menor deterioro de la calidad y frente a la liofilización un menor coste económico.
Aunque el tratamiento con ultrasonidos resulta un método eficaz en tecnología de los alimentos es difícil que constituyan por sí mismos una tecnología de conservación debido al escaso efecto de las ondas sobre los microorganismos y enzimas. Sin embargo, parece que, y según los resultados obtenidos hasta el momento, cuando se combinan los ultrasonidos con temperatura y/o presión pueden llegar a ser una tecnología alternativa a los tratamientos térmicos convencionales.
Para que esto sea posible es necesario seguir profundizando en el estudio de los factores clave del diseño de los equipos y su posterior escalado, así como sobre el efecto de esta tecnología en los componentes de los alimentos. Por otro lado, los conocimientos existentes parecen indicar que la deshidratación mediante ultrasonidos posee numerosas aplicaciones potenciales en el campo de la tecnología de los alimentos.
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