Ultrasonido en La Industria de Alimentos

 

29-6-2012

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE UÍMICAS Y CS. Q UÍMICAS FARMACÉUTICAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS 

Ultrasonido en la industria de los alimentos 

Diamara Vergara Farías

 

Introducción Hace varios años se vienen investigando nuevas nuevas tecnologías para la conservación de alimentos, las que difieren del proceso convencional consistente en el tratamiento térmico para la destrucción de microrganismos que producen el deterioro del alimento e inactivación de enzimas que causan cambios no deseados en el producto alimenticio, afectando en la aceptabilidad por parte del consumidor. Las nuevas tecnologías se basan esencialmente en la destrucción de estos microrganismos a través de otros mecanismos ocupándose presión, ondas electromagnéticas microondas e infrarrojas, campos eléctricos entre otros, los cuales han generados tecnologías emergentes entre las que se cuentan: altas presiones hidrostáticas, campos eléctricos pulsados, calentamiento óhmico, calentamiento infrarrojo y microondas, luz pulsada, luz ultravioleta y ultrasonidos. Esta última tecnología emergente, ultrasonidos, es un campo de rápido crecimiento de la investigación, que está encontrando un uso creciente en la industria alimentaria, tanto para el análisis y la modificación de los productos alimenticios. El uso del ultrasonido en el procesamiento de alimentos crea nuevas metodologías que a menudo son complementarias a las técnicas clásicas. Varias áreas se han identificado con un gran potencial para el desarrollo futuro: la cristalización, desgasificación, secado, extracción, filtración, la congelación, la homogeneización, ablandamiento de la carne, la esterilización, etc. 1 Hay un amplio margen para nuevas investigaciones sobre el uso del ultrasonido en el procesamiento de alimentos, tanto desde un punto de vista industrial y académico. El siguiente trabajo ha querido abordar y analizar en que consiste esta tecnología, cuales son sus efectos en los alimentos y cual es el uso actual que se le esta dando en la industria alimentaria, y poder reconocer cuales son las aristas faltantes para su uso masivo en esta industria.

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Applications of ultrasound in food technology. Zbigniew J. Dolatowski, Joanna Stadnik, Dariusz Stasiak.

 

Aspectos generales Ondas de Ultrasonido  El ultrasonido es una onda acústica o sonora (onda mecánica) cuya frecuencia está por encima del espectro auditivo del oído humano, las cuales se pueden dividir en tres gamas de frecuencia: > Alimentación de ultrasonido ( de alta potencia) (16 - 100 kHz) > Ultrasonido de alta frecuencia (100 kHz - 1 MHz) > Diagnóstico por ultrasonido (1 - 10 MHz)

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La generación de estas ondas viene dado por la trasformación de la energía eléctrica a energía mecánica, formación de oscilaciones mecánicas, por medio de transductores. Estas oscilaciones dependiendo de su intensidad pueden producir  diferentes efectos en la estructura receptora de la onda3, estructuras que pueden ser las células de los microrganismos localizados en los alimentos, estructuras proteicas como lo son las enzimas y también producir efecto en las mismas células constituyentes del alimento. El ultrasonido cuando se propaga a través de una estructura biológica, induce compresiones y depresiones de las partículas del medio y una gran cantidad de energía puede ser impartida. En dependencia de la frecuencia utilizada y la amplitud de la onda de sonido aplicada un número de efectos físicos, químicos y bioquímicos se puede observar que permite una variedad de aplicaciones. 1 Efectos de ultrasonido El efecto fundamental de ultrasonido en un fluido continuo es imponer una presión acústica, además de la presión hidrostática que ejerce sobre el medio. La amplitud de la presión máxima de la onda es directamente proporcional a la potencia de entrada del transductor. En baja intensidad (amplitud), la onda de presión induce el movimiento y la mezcla dentro del fluido, lo que se llama la transmisión acústica. A mayores intensidades, en la fase de expansión expansión del ciclo se generan burbujas diminutas (creadas a partir de núcleos de gas existente en el líquido). Un aumento adicional provoca el crecimiento de las burbujas y produce nuevas cavidades por el efecto de tensado sobre el fluido. En fase de compresión 2

Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Alex Patist , Darren Bates. 3

Clase Tecnologías Emergentes en el procesado de Alimentos.

 

la burbuja se encoge y el contenido es absorbido por el liquido, pero debido a que no todo es absorbido completamente la burbuja va creciendo por cada ciclo, y si la oscilación de la pared de la burbuja coincide con la frecuencia aplicada de las ondas sonoras ocurre la implosión de la burbuja en la fase de compresión. Este proceso de compresión y rarefacción de las partículas del medio y el consiguiente colapso de las burbujas comprende el fenómeno conocido como cavitación, cavitación, lo cual es el efecto más importante en ultrasonidos de alta potencia. Las condiciones condicion es dentro de estas burbujas que implosionan pueden ser dramáticas, produciendo una temperatura de 5000 K y presiones de hasta 1.000 atmósferas, lo que produce las ondas energéticas de alta cizalla y la turbulencia en la zona de cavitación. Es la combinación de estos factores (calor, presión y turbulencia) que se utiliza para acelerar la transferencia de masa en las reacciones químicas, crear  nuevas vías de reacción, desprender y romper las partículas (cuando la cavitación es en las proximidades de una superficie sólida) o incluso generar productos diferentes de los obtenidos en condiciones convencionales.2 La frecuencia es inversamente proporcional al tamaño de la burbuja. Por lo tanto, el ultrasonido de baja frecuencia (es decir, ultrasonidos de potencia 16 a 100 kHz) genera grandes burbujas de cavitación resultantes en altas temperaturas y presiones en la zona de cavitación. A medida que la frecuencia aumenta la zona de la cavitación es menos violenta y el mecanismo principal es la transmisión acústica (utilizada en aplicaciones médicas); por el contrario, la mayoría de aplicaciones industriales (procesamiento de productos químicos y alimentos) operan entre 16 y 100 kHz, porque la cavitación se puede producir dentro de este rango de frecuencias.2  Requisitos en la implementación de ultrasonidos en procesos industriales Se necesita un medio líquido y una fuente vibraciones de alta energía (el ultrasonido). La fuente de energía vibratoria que es el transductor, que transfiere la vibración (tras la amplificación) a la la llamada sonda, la c cual ual está en contacto directo con el medio de procesamiento. Hay dos tipos principales de transductores; piezoeléctrico y magnetoestrictivo. 2 

 

Aplicaciones de ultrasonido en alimentos Los avances en la aplicación de ultrasonidos en el procesamiento se iniciaron en los años anteriores a la Segunda Guerra Mundial, cuando estaba siendo investigado por una serie de tecnologías, incluyendo la emulsión y la limpieza de superficies. En la década de 1960 los usos industriales de los ultrasonidos de alta 1 intensidad fueron aceptados y se utilizan en la limpieza y soldadura de plástico que continúan siendo las principales aplicaciones.

La posibilidad de utilizar el ultrasonido de baja intensidad para caracterizar los alimentos se realizó por primera vez hace 60 años, sin embargo, es sólo recientemente que el potencial de la técnica se ha alcanzado. Hay una serie de razones para el interés actual en ultrasonido. La industria alimentaria se está volviendo cada vez más conscientes de la importancia del desarrollo de nuevas técnicas analíticas para estudiar los materiales complejos de alimentos, y para controlar las propiedades de los alimentos durante el procesamiento, técnicas de ultrasonidos son ideales para ambas aplicaciones. Instrumentación ultrasónica puede ser totalmente automatizada y realizar mediciones rápidas y precisas. El ultrasonido es no destructivo y no invasivo y puede ser fácilmente adaptada para aplicaciones en línea.1 Dentro de la tecnología de alimentos se puede encontrar casi todos los ejemplos de tratamiento al que el ultrasonido puede ser aplicado. Hasta hace poco tiempo la mayoría de las aplicaciones de los ultrasonidos en la tecnología de los alimentos implicaba análisis no invasivo con particular referencia a la evaluación de la calidad. Estas aplicaciones utilizan técnicas similares a las desarrolladas en la medicina de diagnóstico, o de pruebas no destructivas, usando ultrasonido de alta frecuencia de baja potencia. Ejemplos del uso de tales tecnologías se encuentran en la ubicación de los cuerpos extraños en los alimentos, el análisis de tamaño de gota en emulsiones de grasas y aceites comestibles y la determinación del grado de cristalización en gotitas de emulsión dispersas. Mediante el control de la atenuación de un pulso ultrasónico ha demostrado que es posible determinar el grado de homogeneización de la grasa en la leche. La medición de la velocidad de ultrasonido en conjunción con la atenuación se puede utilizar para estimar el grado de emulsificación en dichos materiales. Es posible determinar factores tales como el grado de "formación de crema" de una muestra, es decir, el movimiento de las partículas sólidas o gotitas de grasa a la superficie. 1 Pero mas recientemente se ha utilizado la aplicación de ultrasonido de alta intensidad para producir otros efectos deseados, los cuales se ocupan en diferentes procesos de la industria alimentaria, los cuales se mencionan a continuación.

 

Extracción2 La extracción de compuestos orgánicos procedentes de plantas o semillas ha sido clásicamente basada en la combinación juiciosa de disolvente, calor y / o agitación. Este proceso se puede mejorar significativamente significativam ente mediante el uso de ultrasonido de alta potencia, ya que la energía generada generada por el colapso de burbujas en la cavitación proporciona unade mayor del disolvente en el material celular y mejora la transferencia masapenetración y de las interfaces. A mayores intensidades de ultrasonidos (watts/cm2), los procesos de extracción puede mejorarse aún más con la ruptura de las paredes celulares y la liberación de materiales celulares. Recientemente se ha demostrado que los mismos principios de transferencia de masa en la extracción pueden ser utilizados en el proceso de salmuera de la carne, se demostró que a partir de una intensidad de ultrasonido fundamental la adopción de una solución de salmuera en la carne era proporcional a la intensidad aplicada por ultrasonidos; en el nivel más alto estudiado la absorción de salmuera total fue significativamente más alto que el contenido inicial de agua de la carne. 2

Emulsificación y Homogenización   Si una burbuja de cavitación colapsa cerca de la superficie de la capa límite de la fase de dos líquidos inmiscibles, la onda de choque resultante puede proporcionar  una muy eficiente eficiente mezcla de las dos capas. El consumo de energía es relativamente bajo, resultando en la formación de emulsiones muy finas, de gran estabilidad. Esto ha sido bien comercializado en la industria petroquímica, polímeros, química, textil, industria cosmética y farmacéutica y en la actualidad se están desarrollando en la línea de productos alimenticios tales como jugos de frutas, mayonesa y salsa de tomate. Si se tuviera que utilizar emulsificante adicional sería necesario en poca cantidad para mantener la estabilidad del sistema. Para aplicaciones tales como mayonesa, un excelente color blanco se produce lo que refleja el pequeño tamaño de partícula y su estrecha distribución. Un beneficio obvio del proceso de emulsificación emulsificación por ultrasonido es que puede ser  instalado en línea dentro de la planta existente. Cristalización 2 Ultrasonidos de alta potencia pueden ayudar al proceso de cristalización de varias maneras: Influenciando la iniciación de la nucleación cristalina, controlando la tasa de crecimiento de cristales, asegurar la formación de pequeños cristales, y evitando el ensuciamiento de las superficies por los cristales recién formados. Si estos están controlados, la nucleación y posteriory cristalización puedeprocesos ocurrir al no azar (porbien pequeñas fluctuaciones de temperatura presión) que

 

por lo general producen un producto de mala calidad. Esto puede ser de considerable importancia económica en un proceso comercial en gran escala. La tecnología de cristalización ultrasónica puede ser aplicada para controlar el tamaño y la tasa de desarrollo de cristales de hielo en los alimentos congelados. A medida que el alimento se congela, se forman pequeños cristales dentro de la matriz. Con la congelación convencional, el tiempo(el transcurrido la iniciación de la cristalización hasta completar la congelación tiempo de desde permanencia) puede ser largo, y luego durante el almacenamiento los cristales pueden expandirse. En los materiales celulares, tales como carnes, frutas y verduras un tiempo de permanencia prolongado y la expansión de cristal, ablandan y en ocasiones rompen las paredes celulares, lo que resulta en el ablandamiento de la textura y la liberación de líquido celular en la descongelación. Congelación usando ultrasonidos asegura una nucleación rápida, cortos tiempos de permanencia y la formación de pequeños cristales de tamaño uniforme, lo que reduce el daño celular y la preservación de la integridad del producto, incluso de la descongelación. Un beneficio adicional de la cristalización ultrasónica es el efecto de limpieza continua por la cavitación, que evita incrustaciones de cristales en los elementos de refrigeración y asegura la transferencia de calor continua durante el proceso. Filtración 2 La aplicación de ultrasonidos en filtración o procesos de selección puede beneficiar el proceso de varias maneras. El ultrasonido proporciona una energía de vibración para mantener las partículas en suspensión y en movimiento, dejando a los canales del filtro abiertos y libres para la elución del solvente. También hace que el filtro vibre, creando una "superficie de fricción", permitiendo que el líquido o partículas pequeñas pasen más fácilmente. Una ventaja adicional es extender la vida del filtro, ya que la obstrucción y la aglutinación se impiden por la cavitación continua en la superficie del filtro. Oscilaciones ultrasónicas se transmiten de forma simultánea en el filtro y el material que se está tratando, que mejoran las características del flujo del material. (Ver figura Anexo 3) Separación2  Se ha demostrado utilizar ultrasonidos para proporcionar un nuevo principio de separación de partículas; si ultrasonidos de alta potencia se aplica a una emulsión a bajas frecuencias (