Tecnologías de conservación de alimentos: Altas Presiones

Hoy en día, cada vez estamos más concienciados de la estrecha relación entre la alimentación y la salud, buscamos alimentos mínimamente procesados, apetecibles, de fácil consumo y con propiedades funcionales. En los últimos años se han conseguido importantes avances en el campo de las tecnologías de conservación y/o transformación de alimentos, tecnologías diferentes a las aplicaciones térmicas convencionales, de manera que hemos conseguido alimentos mínimamente procesados con las mismas cualidades sensoriales y nutricionales, garantizando su inocuidad alimentaria y preservando sus compuestos bioactivos.

La seguridad alimentaria ha de tenerse en cuenta en su globalidad. No podemos pretender conseguir alimentos seguros para su consumo si no somos capaces de integrar bajo el mismo paraguas todos aquellos aspectos que puedan influir durante el proceso de elaboración de ese alimento. En este artículo vamos a tener en cuenta aspectos relacionados con algunas de las tecnologías consideradas como nuevas tecnologías para la conservación de los alimentos, tecnologías dirigidas a tratar el alimento con la finalidad de eliminar su microbiota alterante y patógena, pero no hemos de pensar que con la aplicación de estas nuevas herramientas tenemos solucionado el problema de la seguridad alimentaria de nuestros productos. Las buenas prácticas de manipulación, el diseño adecuado de las instalaciones y su estado, el control ambiental, la higiene de las plantas de elaboración, la idoneidad de los materiales… son algunos de los factores que necesariamente tendremos que tener en cuenta a la hora de establecer el plan para la seguridad alimentaria de nuestros productos.

Además, la aplicación de tecnologías de conservación alternativas a la pasteurización tradicional, entre las que destaca las altas presiones hidrostáticas, constituye una revolución en la industria alimentaria, al obtenerse productos seguros que conservan las características funcionales, nutricionales y sensoriales de los alimentos frescos, con mayor vida útil y mayor garantías de seguridad del alimento. Repasando los métodos tradicionales (pasteurización, esterilización, congelación), vemos que los más comunes para la conservación de los productos se basan en las variaciones de temperatura, tanto la aplicación de calor como la congelación. Gracias a estos gradientes de temperatura conseguimos tanto la inactivación de los microorganismos como de las enzimas alterantes, pero, por el contrario, tenemos problemas de desnaturalización de las proteínas, cambios de texturas, sabores, pardeamiento no enzimático, …

La pasteurización (proceso térmico suave donde se destruyen los microorganismos patógenos), requiere la combinación con otro proceso de conservación, normalmente la refrigeración o la congelación o el uso de aditivos (acidulantes, azúcares concentrados, etc.). Referente a la esterilización (tratamiento térmico drástico que permite la destrucción de formas vegetativas y esporas microbianas), implica cambios sustanciales en la calidad nutricional y sensorial de los alimentos: exceso de cocción, cambios de textura y del sabor, aunque los productos estériles que pueden mantenerse a temperatura ambiente hasta más de dos años. La congelación reduce la cantidad de agua disponible, al solidificar y fijar parte de ésta, lo cual frena notablemente las reacciones químicas y bioquímicas y detiene el crecimiento microbiológico, produciendo pérdida de sabor y aroma, y deterioro del color y de la textura, ya que los sistemas enzimáticos permanecen activos.

Dentro de las nuevas tecnologías de conservación encontramos algunas ya introducidas en el mercado por las grandes ventajas que supone su aplicación (caso de las altas presiones) y otras en estudio avanzado (la luz pulsada ultravioleta, radiofrecuencia, los ultrasonidos, calentamiento óhmico radiación, fluidos supercríticos, el plasma frío, ozono…)

Radiofrecuencia: Se trata de una técnica donde se aplica energía eléctrica que se convierte en ondas electromagnéticas que generan calor en el interior del producto debido a la oscilación de los dipolos (el agua contenida en los alimentos) y a la despolarización iónica (las sales minerales propias de los alimentos). La principal desventaja del calentamiento dieléctrico por radiofrecuencia es la falta de uniformidad en la distribución de la temperatura, dando lugar a puntos fríos y calientes.

Pulsos eléctricos de alto voltaje o de alta intensidad: Consiste en la aplicación de una corriente eléctrica en forma de pulsos muy breves a través de un alimento colocado entre dos electrodos. Es un proceso no térmico, ya que los alimentos tratados se mantienen a temperatura ambiente, o en todo caso a temperaturas inferiores a las de pasteurización del alimento. Por ello los alimentos tratados por esta tecnología tienen unas propiedades sensoriales y nutritivas más parecidas a las del producto fresco. Los pulsos eléctricos provocan la destrucción de la membrana celular de los microorganismos por electroporación sin un aporte significativo de calor.

Calentamiento óhmico:

Un calentador óhmico, también conocido como un calentador Joule, es un dispositivo de calentamiento eléctrico que utiliza la propia resistencia eléctrica de un líquido para generar el calor. Junto con la inactivación microbiana derivada del propio calentamiento, se produce una electroporación de las membranas celulares. Las principales ventajas de esta tecnología consisten en que el calentamiento se produce de manera rápida y se reparte uniformemente, no se transfiere calor residual tras cesar la corriente ni se producen incrustaciones en la superficie de transferencia del calor y el coste de mantenimiento de los equipos no es elevado. Entre los inconvenientes, se encuentra la dificultad de controlar, ya que se requiere un ajuste estrecho entre la temperatura y la distribución del campo eléctrico.

Radiación

Los alimentos, crudos o procesados, son expuestos a radiación ionizante (electrones de alta energía, rayos X o rayos gamma) o no ionizante (luz UV). En cualquiera de los casos se acaban generando radicales libres que ionizan las moléculas orgánicas del alimento, dando lugar a daños fundamentalmente a nivel del DNA Las modificaciones que la radiación provoca en el color, sabor, aroma y demás parámetros de calidad son mínimos.  Microbiológicamente, los mohos y las levaduras son más resistentes a la radiación ionizante que las bacterias.   A nivel nutricional y sensorial, los efectos son muy dependientes de la dosis empleada.

 Ozono

Frente a los agentes desinfectantes tradicionales (cloro, dióxido de cloro, clorito sódico, hipoclorito sódico, hipoclorito cálcico, ácido peroxiacético), la ozonización ha demostrado reducir los recuentos de los microorganismos alterantes y patógenos más comunes en alimentos. La eficacia de este tratamiento depende del flujo del gas, la concentración, la temperatura, el pH del medio y la presencia de materia orgánica.

Plasma frío

Se trata de un cuarto estado de la materia donde no existe equilibrio termodinámico entre los electrones y la mayor parte de átomos y moléculas gaseosas, lo que da lugar a un sistema adiabático con alto contenido de energía cinética a temperaturas bajas, siempre inferiores a 70 ºC. El plasma frío se genera al someter un gas a un potente campo eléctrico, ionizándose parcialmente dicho gas.

Aparte se generan especies altamente energéticas capaces de romper los enlaces covalentes e iniciar numerosas reacciones químicas con implicaciones tecnológicas, entre ellas la inactivación de microrganismos. Las exposiciones prolongadas inevitablemente merman el contenido de polifenoles antioxidantes. Actualmente esta tecnología resulta cara y costosa y existen muy pocos sistemas comercializados, centrados en aplicaciones muy concretas.

Dióxido de carbono supercrítico

Este tratamiento incluye el CO2 líquido, el CO2 supercrítico y el CO2 altamente presurizado (high pressurised carbon dioxide, HPCD) y cuenta con unas propiedades muy atractivas como método de conservación de alimentos por su elevada capacidad antimicrobiana, su actividad frente a enzimas alterantes, su baja toxicidad y su fácil eliminación -basta con despresurizar.

Ultrasonidos

Los mecanismos a través de los cuales los ultrasonidos inactivan microorganismos están inducidos por la cavitación, que conduce al debilitamiento o la ruptura de las células bacterianas. Durante la cavitación también se forman radicales libres que atacan químicamente a las células, además de producirse peróxido de hidrógeno, un bactericida per se. El procesamiento por ultrasonidos, por sí solo o en combinación con calor y/o presión, resulta eficaz para inactivar microorganismos y retener mejor los compuestos bioactivos de los alimentos líquidos con respecto al tratamiento térmico convencional. Sin embargo, ciertos atributos como el sabor y el color pueden verse negativamente afectados por el efecto oxidativo y la cavitación. Es por ello que la aplicación de los ultrasonidos, en la industria alimentaria, se emplea básicamente en los trabajos de limpieza y desinfección de instalaciones, tales como los automatismos para la higiene de ganchos de cuelgue en matadero de aves, cuchillos de corte, mallas y guantes metálicos…, obteniendo resultados muy positivos, minimizando tiempos de operarios de limpieza y optimizando los consumos de agua y de productos químicos. (ref. BETELGEUX HPC).

Altas presiones hidrostáticas:

Esta tecnología utiliza el agua como medio para transmitir uniformemente presiones entre 100 y 1000 MPa a los alimentos a temperaturas suaves (5 – 25 ºC), lo que se traduce en una reducción significativa de la carga microbiana y una prolongación de la vida útil. Sin embargo, aunque la mayoría de las células vegetativas se puede inactivar a presiones relativamente bajas (200-400 MPa), las esporas bacterianas son más resistentes y requieren una combinación de alta presión y temperatura. Este proceso tiene un impacto sólo en los enlaces no covalentes (de hidrógeno, iónicos e hidrófobos), sin apenas impacto en los enlaces covalentes, que están asociados a las propiedades sensoriales y nutricionales de los alimentos. El procesado por altas presiones es un proceso de letalidad no térmico, que respeta las propiedades naturales de los productos tratados. Esta tecnología, consistente en la transmisión de presiones isostáticas transmitidas por el agua, es natural, limpia y respetuosa con el medio ambiente, reciclando el agua utilizada y requiriendo tan solo de energía eléctrica.  Unido a esto, el uso de esta tecnología permite evitar la utilización de conservantes y aditivos en la fabricación de los productos.

La capacidad de las altas presiones hidrostáticas para la conservación de los alimentos se conoce desde que, en 1899, Hite pasteurizó leche mediante presurización, quedando demostrando así la reducción de la población microbiana gracias al uso de esta técnica.  A partir de este primer estudio, años más tarde, se empezaron a estudiar los efectos de las altas presiones en otro tipo de productos, como frutas, hortalizas y carne. Sin embargo, el desarrollo de equipos que pudieran aplicar las altas presiones sobre los alimentos con fines comerciales, no fue posible hasta finales del siglo XX.

Actualmente existen empresas dedicadas a la fabricación de equipos para su uso en sectores como el de bebidas, lácteo, cárnico, pesca y agrario. Estas empresas, a destacar entre ellas a Hiperbaric por haber sido una de las pioneras en la fabricación de estos equipos, pueden diseñar y producir el equipo a medida para cada caso, pudiendo ajustar los parámetros de los equipos (número de intensificadores, potencias, tiempos, ciclos/hora…) en función de las necesidades reales, ajustando al máximo su productividad.

 A nivel bacteriano, con la aplicación de esta técnica, se consiguen cambios en la membrana celular, cambios bioquímicos, morfológicos y genéticos. La membrana celular es una estructura especialmente sensible a la presión, responsable en muchos casos de la muerte de las células sometidas a condiciones suficientes de tratamiento. Basta una presión de 300 MPa para provocar la desnaturalización irreversible de las proteínas y fosfoproteínas que componen la membrana celular, modificándose la permeabilidad de la misma y viéndose alterado el intercambio iónico. A nivel bioquímico, las altas presiones destruyen la estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas, que se mantienen por interacciones débiles no covalentes. Puesto que la actividad biológica de una enzima depende de la configuración tridimensional de su centro activo, cualquier modificación estructural conduce a la pérdida de actividad enzimática. Así mismo, las altas presiones producen también cambios morfológicos en las células vegetativas de los microorganismos. A nivel genético, las altas presiones inactivan las enzimas implicadas en la replicación y transcripción del ADN. Por último, comentar que la sensibilidad a este tipo de tratamientos de los microorganismos no es la misma en todos ellos (barorresistencia). Esta sensibilidad es a nivel tanto entre microorganismos de distintas especies, como de microorganismos de la misma especie y entre sus distintas cepas. Las levaduras y la mayoría de mohos son especialmente sensibles a la presión. Las células eucariotas son más sensibles a la presión que las procariotas, y las Gram positivas resisten mejor la presión que las Gram negativas.

Las altas presiones hidrostáticas constituyen una técnica de procesado que, como ya se ha mencionado, consiste en someter al alimento sólido o líquido ya envasado en su formato final flexible a presiones de entre 100 y 1000 MPa, (generalmente altas presiones entre 400 y 600 MPa/4000 bar y 6000 bar) con agua como vehículo transmisor de la presión, a una temperatura en un rango entre 5 y 25ºC durante un tiempo variable que oscila entre unos pocos segundos hasta 20 minutos, consiguiendo de esta forma la reducción de varios logaritmos de los microorganismos alterantes y patógenos en los alimentos. Como ventaja frente a los tratamientos térmicos de las altas presiones, los componentes químicos asociados con las cualidades organolépticas de los alimentos (aminoácidos, vitaminas, moléculas volátiles), tales como el sabor, el color o el valor nutricional parecen no estar influidos por la acción de esta tecnología, al no afectar ésta a los enlaces covalentes.

Los tres parámetros críticos a controlar en el diseño de cualquier tratamiento por altas presiones son la temperatura, la presión y el tiempo. Con respecto al tiempo, no sólo es importante la duración del tratamiento a la presión deseada sino también el tiempo requerido hasta lograr dicha presión y el tiempo de descompresión post-tratamiento hasta recuperar la presión atmosférica.

Existen dos principios fundamentales en los que se basa la aplicación de las altas presiones:

1. Principio de Le Chatelier. Si se presenta una perturbación externa sobre un sistema en equilibrio, el sistema se ajustará de tal manera que se cancele parcialmente dicha perturbación en la medida que el sistema alcanza una nueva posición de equilibrio. Si una reacción en equilibrio es perturbada desde el exterior, el sistema evoluciona en el sentido de contrarrestar los efectos de dicha perturbación. Los fenómenos acompañados de una disminución de volumen son favorecidos por un aumento de presión y viceversa. Según este principio, la aplicación de la alta presión aumenta la velocidad de las reacciones que involucran una disminución del volumen y retarda aquellas donde el volumen aumenta.
2. Principio de Pascal. La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

La presión aplicada se transmite de manera uniforme y casi instantánea a todos los puntos del alimento, independientemente de su composición, tamaño y forma geométrica. Ello evita la deformación del producto, a pesar de estar sometido a tan altas presiones, y hace que éste sea uniforme y no presente zonas sub- o sobretratadas. En consecuencia, los problemas de variaciones espaciales en los tratamientos de conservación asociados al calor, las microondas y la radiación no se observan en los productos tratados por alta presión.

Una consideración a tener en cuenta a la hora de aplicar estos tratamientos tanto a alimentos sólidos como líquidos en envase flexible a vacío, es que no se puede aplicar en alimentos envasados en recipientes rígidos (cristal o lata) ni en alimentos sólidos que incluyan cantidades excesivas de aire. Otros factores implicados en el proceso de conservación por altas presiones son la composición del producto, el pH, la actividad de agua y la integridad del envase que lo contiene.

Como principal inconveniente de la aplicación de esta tecnología es que por sí sola no permite la conservación posterior de los alimentos a temperatura ambiente sin afectar a la seguridad alimentaria del producto, ya que no inactiva las posibles esporas bacterianas presentes en el alimento. Es por ello por lo que los alimentos procesados han de seguir un proceso de mantenimiento posterior, bien almacenándolos a temperaturas que eviten la germinación de las esporas bacterianas, bien disminuyendo el pH por debajo de 4,5 o bien, reduciendo su actividad de agua para evitar la germinación. La combinación sinérgica que se obtiene al aplicar de forma conjunta presión y temperatura permite alcanzar la inactivación de esporas bacterianas a menor temperatura, menor tiempo o una combinación de ambos. De este modo se producen alimentos que no requieren almacenamiento refrigerado o aditivos acidulantes. Las condiciones de trabajo abarcan hasta 1000 MPa de presión y 120 °C de temperatura. A modo de ejemplo, gracias a la documentación facilitada por parte de Hiperbaric, citaremos algunas de las aplicaciones que ya se están realizando en la industria hoy en día, con la finalidad principal de incrementar la vida útil consiguiendo una cadena de suministro más flexible y una mejor gestión de stocks. En productos del mar, se están utilizando para productos de la pesca frescos, procesados o cocinados, moluscos (apertura fácil de bivalvos), crustáceos, tanto para el producto como para la extracción de su carne sin cocción, … en productos cárnicos, esta tecnología permite la elaboración de productos sin conservantes, clean label. Es un tratamiento de letalidad post envasado, que permite la eliminación de ingredientes artificiales de la formulación del producto. En productos lácteos, las altas presiones están abriendo la puerta a productos nuevos y bioactivos, incrementándose el número de patentes de productos HPP. En frutas y verduras, las altas presiones ayudan a comercializar productos orgánicos y sin conservantes con una vida útil larga, respetando las cualidades naturales de los alimentos.