Ultrasonido aplicado a los alimentos (tecnología emergente)

Desde hace unos meses estoy desarrollando mi Proyecto Tesis de Grado para obtener el título de Ingeniera, mi tema en desarrollo trata sobre el ultrasonido aplicado en el proceso de secado de alimentos. 

Tuve problemas al comienzo, si bien era una idea innovadora para su estudio en mi país, la poca información que pude obtener era confusa y todos los pocos estudios a nivel mundial mencionaban cómo se aplicó el ultrasonido a las frutas, vegetales, huevos, leche y otros, pero ninguno me dio una visión clara de que era lo que el ultrasonido le hacía al alimento, pero ahora tengo una respuesta:

Primero, ¿qué es el ultrasonido?

Es el sonido (onda acústica o sonora) superior a los 20kHz, por lo tanto no son percibidos por el oído humano, se distinguen tres grupos:

 -Baja frecuencia:valores comprendidos entre 10 y 100 KHz, que son los que industrialmente tienen más aplicaciones. También tienen aplicaciones terapéuticas.

 - Media frecuencia: valores comprendidos entre 100 KHz y 10 MHz, que son los más usados en aplicaciones terapéuticas.

 - Alta frecuencia: valores comprendidos entre 1 MHz y 10 MHz, de uso en aplicaciones médicas y aparatos de control no destructivo.

Ahora, ¿qué parámetros intervienen cuando el ultrasonido es aplicado a los alimentos?

Para generar ultrasonido interfieren la potencia (vatios) y frecuencia (kHz), pero si diseñamos un equipo para que sea aplicado a los alimentos (como es mi caso), también interviene la temperatura, viscosidad del medio de interacción (tiene que ser líquido), presión y lógicamente el tiempo que el alimento será sometido a ultrasonido. 

Ojo, siempre tiene que haber un medio de interacción líquido para que el ultrasonido actúe.

Y lo más importante, el motivo de este post ¿qué causa el ultrasonido en alimentos? ¿cómo actúa?

En el caso de la leche el ultrasonido logra eliminar microorganismos con sólo dos minutos de su aplicación, por lo tanto puede ser utilizado para alcanzar la inocuidad y conservación deseada en los alimentos que procesemos. En el caso del secado, logra una debilitación de las paredes celulares del alimento que permite que haya un mayor intercambio de agua con el medio donde será sometido, es decir, cuando pase a la cámara de secado.

El ultrasonido actúa como generador de cavitación, este fenómeno se produce en líquidos y su causa no es únicamente el ultrasonido. La onda sonora con amplitudes grandes provoca variaciones de presión y como sabemos todo líquido tiene un punto llamado tensión de vapor, cuando nos situamos por debajo de dicho valor de presión, el líquido pasa a estado gaseoso, lo que genera bolsas de vapor (cavidades), entonces las burbujas viajan hacia una región de mayor presión y chocan entre sí, dando como resultado un aumento de presión, llegando incluso a los 800 MPa y también un aumento de temperatura (5000°C). 

En el caso del secado de alimentos, el ultrasonido actúa dando "microgolpes", como yo los llamo, a las capas externas del alimento, donde se genera cavitación (dentro del alimento), pero el alimento absorbe la sobrepresión sin sufrir ninguna ruptura, por lo tanto se ablandara sin daños mientras el ultrasonido sea aplicado con los parámetros correctos, además esto ayuda a que haya un intercambio de agua más rápido con el medio donde será secado y se podrán utilizar temperaturas menores a los 50°C. Además hay que tener en cuenta que la cavitación dentro del alimento generará cambios celulares los cuales pueden influir en la rapidez del secado (esto requiere más estudio) . En el caso de mi proyecto de Tesis estoy utilizando ultrasonido de una frecuencia de 40kHz, por lo tanto la cavitación se limita a 1,5 a 2 cm. de profundidad.

Espero que lo poco expuesto les sea de ayuda a las personas que están optando por el estudio de tecnologías emergentes, es poca la información que se puede encontrar en el sector alimentario, pero vale la pena el estudio que estamos realizado ya que podemos llegar a obtener alimentos con mayor calidad nutricional.

DIFUSIÓN, ÓSMOSIS Y OSMODESHIDRATACIÓN

Hace mucho que no escribía en el blog, por trabajo, proyectos y tesis. Ayer recordaba el tema de ósmosis y me parece buena idea explicarles de una forma sencilla su concepto ya que en muchas ocasiones causa confusiones.

Primero es necesario que tengamos los conceptos de solvente y soluto muy claros. Pongo un ejemplo para definirlos: Tenemos un vaso con agua de 100 ml. al cual le agregamos 5gr. de azúcar y lo disolvemos (entonces tendríamos muchas moléculas de agua en su estado líquido con algunas moléculas de sacarosa), el solvente será el agua porque se encuentra en mayor cantidad y el soluto será el azúcar que es menor cantidad. Entonces al conjunto del solvente y soluto le llamaremos solución.

Ahora imagina que tienes dos contenedores llenos de agua unidos por un tubo en el medio, como tenemos la misma cantidad en cada contenedor, entonces como las moléculas de agua están en continuo movimiento existen las mismas probabilidades de que las moléculas se trasladen del contenedor uno al dos y del dos al uno. El agua siempre buscará el equilibrio en ambas si las condiciones de presión son las mismas.

Ahora supongamos que agregamos un soluto (5 gr de azúcar) al contenedor uno, con el tiempo "en la búsqueda del equilibrio" algunas partículas de sacarosa se dispersarán al contenedor dos haciendo que sus concentraciones en el contenedor uno y dos sean casi iguales. Este ciclo se denomina "DIFUSIÓN" y se define como la propagación de partículas o moléculas de soluto de áreas de altas concentración (SOLUCIÓN HIPERTÓNICA) a otras de baja concentración (SOLUCIÓN HIPOTÓNICA), es decir, las partículas se difuminan, se esparcen.

Ahora supongamos que tenemos un balde de agua y sumergimos una membrana celular "semipermeable" (las membranas semipermeables son capas muy delgadas que permiten que algunas sustancias las atraviesen y otras no). Esta membrana celular da paso a las moléculas pequeñas de oxígeno, agua, dióxido de carbono, aminoácidos, glucosa, etc.; en cambio, no permite que penetren las moléculas grandes de sacarosa, almidón y proteínas, entre otras. Para hacerlo sencillo sólo imaginemos que nuestra membrana sumergida en el balde de agua sólo contiene agua y azúcar, entonces el balde de agua será nuestra solución hipotónica y la membrana con agua y azúcar nuestra solución hipertónica ya que es aquí donde hay mayor concentración de soluto, entonces, como el azúcar no puede pasar a través de la membrana ya no ocurrirá una difusión tradicional ya que las moléculas de sacarosa tienen un movimiento aleatorio lo cual impedirá la salida del agua de la membrana, pero sí permitirá la entrada del agua a la membrana, a este proceso se le denomina "OSMOSIS" el cual se define como a propagación de partículas o moléculas de solvente de una solución hipotónica a través de una membrana semi-permeable a una solución hipertónica con el objetivo de igualar las concentraciones de solvente en ambas regiones. Ocurrirán tres casos en la ósmosis:

1. Medio Hipotónico: Si el medio circundante tiene una concentración de agua mayor que la de la célula, por el mecanismo de ósmosis la célula ganará agua. Las moléculas del agua están libres de entrar y salir de la célula; sin embargo, la tendencia será a entrar. Probablemente la célula termine hinchándose.

2. Medio Isortónico:  Si la concentración de agua en ambos espacios (medio y célula) es similar, no se producirá ningún movimiento a través de la membrana celular, pues existe un equilibrio. En realidad el agua sí atraviesa la membrana pero en ambas direcciones, siendo igual la cantidad que entra que la que sale. El tamaño de la célula no varía.

3. Medio Hipertónico: Si la concentración de agua del medio que rodea a la membrana es menor, la célula pierde agua como efecto del mecanismo de ósmosis. Al igual que en las situaciones anteriores el agua atravesará la membrana celular en ambas direcciones, pero la cantidad que sale de la célula es mayor que la que entra. Resultado: esta se encogerá sufriendo deshidratación, lo cual dará paso a la "Crenación".

Fuente: Ciencias de Joseleg

En algunos casos la membrana puede llegar a saturarse y explotar, denominándose a este procesos "Citúlisis", en el caso de las plantas las membranas o paredes celulares son más resistentes y no explotan entonces estas se convierten en "Turgentes".

De todo lo expuesto también podemos definir la PRESIÓN OSMÓTICA que es la fuerza que detiene la difusión del solvente, por lo tanto, la presión osmótica es directamente proporcional a la concentración de la solución.

OSMODESHIDRATACIÓN - "ÓSMOSIS INVERSA"

Este concepto es similar al caso N°3 de la ósmosis, pero la crenación es en el caso de células, el término "osmodeshidratación" se utiliza en frutas como tales, estas pueden ser la fresa, papaya, mango, melón, uvas, aguaymanto, entre otras, los cuales cuentan con los elementos necesarios para inducir la ósmosis, es decir, tienen una capa externa con una estructura celular más o menos rígida que actúa como membrana semipermeable, detrás de estas membranas celulares se encuentran los jugos, que son soluciones diluidas, donde se hallan disueltos sólidos (azúcares) que oscilan entre el 5 a 18% de concentración. Si esta fruta entera o en trozos se sumerge en una solución o jarabe de azúcar de 70%, se tendría un sistema donde se presentaría el fenómeno de ósmosis inversa.

* El proceso de Osmodeshidratación es la realización directa de la "ÓSMOSIS INVERSA", la cual se definiría como la transferencia de moléculas de agua de una solución hipertónica (que en este caso sería el medio que rodea la membrana semipermeable, es decir, la solución de agua y azúcar al 70% que rodea a la fruta) a una solución hipotónica (que sería el interior de la fruta ya que tendría sólo una concentración del 18% de azúcares). Al igual que en las situaciones anteriores el agua atravesará la membrana semipermeable en ambas direcciones, pero la cantidad que sale es mayor que la que entra.

Los jugos en el interior de las células de la fruta están compuestos por sustancias disueltas en agua, como ácidos, pigmentos, azúcares, minerales, vitaminas, etc. Algunas de estas sustancias o compuestos de pequeño volumen, como el agua o ciertos ácidos, pueden salir con cierta facilidad a través de orificios que presenta la membrana o pared celular, favorecidos por la presión osmótica que ejerce el jarabe de alta concentración donde se ha sumergido la fruta. La posibilidad de que la sacarosa del jarabe entre en la fruta dependerá de la impermeabilidad de las membranas a este soluto. Por lo general los tejidos de las frutas no permiten el ingreso constante de sacarosa por el tamaño de esta molécula (sólo en pocas proporciones), si aumentamos la temperatura por escaldado previo a la fruta, baja agitación o calentamiento del sistema se puede producir ingreso de azúcar de un 6 a 10% a la fruta. Como ya se mencionó este proceso si puede dejar salir de la fruta moléculas mas sencillas como ciertos ácidos o aromas. Esto es algo desfavorable en el sentido de que la fruta no conservaría su contenido nutricional.

Fuente: Universidad Nacional de Colombia

La presión osmótica presente será mayor en la medida que sea mayor la deferencia de concentraciones entre el jarabe y el interior de los trozos de la fruta. El efecto de esta diferencia se ve reflejado en la rapidez con que es extraída el agua de la fruta hacia el jarabe. Por ejemplo, en el caso de la "Osmmodeshidratación  de Aguaymanto" el valor de esta diferencia permite que los trozos de fruta pierdan cerca del 40% del peso durante cerca de 4 horas de inmersión.

Por lo tanto las características del producto final, dependerán de las condiciones en las que se realizó el proceso y los fenómenos que se dieron dentro del sistema fruta/jarabe. Además es bueno recalcar que la "osmodeshidratación en frutas" se utiliza como pre-tratamiento, por lo cual hay un proceso posterior de deshidratación de la fruta por aplicación de calor donde alcanza el estado final para su consumo.

Fuente: Ecotips

FRUTA DESHIDRATADA II

- Ventajas de la deshidratación:

• La deshidratación permite la conservación del alimento, impidiendo el desarrollo de microorganismos.
• Vida útil prolongada (12-24 meses), sin necesidad de aditivos.
• Almacenamiento a temperatura ambiente.
• Reducción del peso y, en ocasiones, del volumen del producto.
• Facilita y reduce costos de empaque, almacenamiento y transporte.
• Comodidad en el uso del producto (leche en polvo, café soluble, pure de papa instantáneo).
• Compatibilidad con otros alimentos en mezclas secas.
• Rehidratación en la concentración deseada.
• Menor producción de residuos.
• Disponibilidad constante a lo largo del año y a precios estables.

- Desventajas de la deshidratación:

• En algunos casos, dificultad para una completa rehidratación (depende del método y condiciones de la deshidratación).
• Modificación de la textura en alimentos sólidos.
• Modificación del sabor, olor y color en algunos productos.
• Algunos métodos de deshidratación (como la liofilización) tienen un costo relativamente elevado.

- Métodos de deshidratación: 

* Deshidratación por aire o deshidratación por convección: En este proceso, el calor requerido para evaporar el agua del producto es suministrado por aire caliente en contacto directo con el material que se va a deshidratar, efectuándose una transferencia de calor por convección. Aunque también existen deshidratadores por convección que utilizan productos de combustión en vez de aire caliente, no son recomendables para deshidratar alimentos.

Cuando la deshidratación por aire se efectúa a presión atmosférica, el mismo aire caliente es el que arrastra la humedad del producto. En este caso, inicialmente el producto en contacto con el aire caliente incrementara su temperatura superficial, pero en el momento en el que la humedad del producto empieza a ser evaporada, su superficie sufre un enfriamiento hasta la temperatura de saturación adiabática del aire y esta temperatura se mantiene constante hasta que se ha eliminado el agua libre del producto. Por esta razón, a los procesos de deshidratación con aire a presión atmosférica se les denomina procesos adiabáticos (un proceso adiabático es aquel donde el intercambio de calor con el medio que le rodea es despreciable). A su vez, los procesos de deshidratación por aire pueden clasificarse en:

a) Deshidratación en cama o banda: Se emplea para la deshidratación de productos sólidos y, en menor proporción, fluidos con alta viscosidad y/o con sólidos en suspensión. En este caso el aire fluye sobre o a través de la superficie del producto, la evaporación está controlada por el transporte de la humedad a la superficie del mismo.

b) Deshidratación de partículas: Se lleva a cabo cuando el producto que se va a deshidratar, ya sea solido o fluido, se encuentra dividido en finas partículas y el aire se mueve a través de ellas. Debido al pequeño tamaño de las partículas es fácil eliminar la humedad, por lo que el proceso está regido por la resistencia a la transferencia de calor que presenta el producto.

* Deshidratación por conducción: Como su nombre lo indica, el calentamiento del producto se lleva a cabo por conducción a través del contacto del producto con una superficie caliente. En este caso, la temperatura de la superficie del producto expuesta a la fuente de calentamiento, se incrementa constantemente durante la deshidratación, aproximándose a la temperatura de calentamiento. Normalmente, el agua evaporada es removida por el aire circundante al producto.

* Deshidratación por radiación: En estos sistemas, el calentamiento del producto se efectúa mediante energía radiante (infrarroja, dieléctrica o microondas). Al igual que en la deshidratación por conducción, el aire circundante arrastra el vapor del producto.

* Deshidratación por congelación (liofilización): En este caso, el producto se congela y se somete a un vacío riguroso, lo que conduce a la sublimación del agua del producto. El agua se remueve a través del vacío.

  

Fuente: Colina Irezabal, María Luisa, 2010, Deshidratación de Alimentos, p.11-13 .

FRUTA DESHIDRATA I

Las frutas son alimentos ricos en vitaminas, minerales, glúcidos y agua, existiendo una gran variedad de ellas. El problema es que son perecibles, por esta razón no podemos guardarlas por tiempos prolongados hasta consumirlas, y al procesarlas en jugos, mermeladas o salsas pierden su valor nutritivo original, por ello surgieron diversos métodos para conservarlas sin que sufran cambios exagerados en su composición, como por ejemplo la refrigeración y el deshidratado.

El deshidratado es una de los métodos de conservación más antiguo que existe en el mundo y conserva las propiedades nutricionales del fruto casi en su totalidad, lo que se pierde en el proceso es el agua libre y un porcentaje mínimo de compuestos, quedando así los demás componentes en el fruto, además esta disminución de agua evita el desarrollo de microorganismos.

El rendimiento depende del contenido de agua de la fruta, suele estar en el rango de 7% a 20%, mientras menos agua contenga mayor el rendimiento y viceversa.

La demanda de frutos deshidratados va en crecimiento, ya que se generaron de frutos distintos que pueden ser consumidos como snacks solos o acompañando a postres, jugos, entre otros. Por ejemplo tenemos los deshidratados de uva (conocido comúnmente como pasa), fresa, piña, mango, aguaymanto, entre otros.

La forma de deshidratar frutos es muy fácil, sólo tenemos que cuidar que no este expuesta a cotaminantes e invertir tiempo ya que el proceso dura entre 4 y 8 días. De manera sencilla se pueden construir pequeños deshidratadores para que puedan ser usados en casa teniendo cuidado con los materiales a utilizarse. Sólo se tienen que cumplir tres condiciones, la primera que se genere calor, la segunda que tenga una salida de humedad y la tercera que se cuente un espacio adecuado para un buen deshidratado.

¿CÓMO SE HACE PANETÓN?

El Panetón (Panetúm o Panetton, Panettone o Pan dulce), es un bollo de masa (harina, levadura, huevos, mantequilla, azúcar, entre otros) que contiene pasas y frutas confitadas (que ya se menciono en un post anterior como hacerlas), este postre navideño es originario de Milán (Italia) que se difundió a nivel mundial por su agradable sabor y original presentación, consumiendose en fiestas navideñas y año nuevo.

En la última década la industria del Panetón ha sufrido una baja considerable en lo que respecta a la demanda del público, siendo cuestionada la calidad de los mismos en los últimos años. Esta situación es preocupante para los empresarios y panificadores peruanos que ven reducidas sus posibilidades de poder llevar sus productos al público.


Las grandes empresas le dan valores agregados adicionando por ejemplo, chocolate, así tenemos el conocido "chocotón". Dependerá de la habilidad de cada uno para mejorar la receta o tener otra presentación, por ejemplo ya se desarrolló en Perú el Panetón hecho con harina de papa, pero hay que tener en cuenta que esta harina no tiene las mismas propiedades que la harina de trigo, sobre todo al momento de la cocción, por lo tanto la gran mayoría de productos que contiene harina de papa, de camote, de habas etc. sólo tienen un porcentaje de estos y el resto es harina de trigo, es por eso que la demanda de harina de trigo siempre se mantiene igual, ya que siempre es necesaria para la preparación de diferentes productos.

El valor nutricional del producto no es igual al añadir otras harinas, el valor nutricional crece, esta es la mayor ventaja, el sabor puede variar sólo un poco, pero mientras sea agradable siempre habrá demanda. Además al añadir otras harinas se puede reducir el costo de producción.

También puede añadirse otras frutas deshidratadas para darle un mejor valor nutricional al Panetón, por ejemplo: deshidratado de fresa, piña, aguaymanto (fruta nativa rica en pro-vitamina), carambola (fruta muy deliciosa rica en vitamina C, nativa de la región selva), arándanos, ciruela, etc.

Aquí les dejo la receta del panetón, es básica, es decir como las que se hacen en panaderías:

INSUMOS:

- 200 ml Agua cruda y tibia
- 10 gr. Azúcar granulada
- 5 gr. Sal - 60 gr.
- Levadura en pasta
- 300 gr. Harina especial
- 140 gr. Mantequilla
- 8 yemas de huevos
- 100 gr. Azúcar granulada rubia
- 20 gr. Esencia de panetón
- Colorante (sólo para obtener el color amarillo característico, si no hay problemas con que la presentación sea natural, entonces es mejor no adicionar este insumo)
- 10 gr. Mejorador de masa.
- Pasas
- Fruta confitada

PREPARACIÓN:

Diluir el azúcar granulado, sal, levadura en pasta en el agua tibia, y dejar reposar por 10 min. Cernir la harina, luego integrar la mantequilla y las yemas.

Mezclar las dos preparaciones anteriores amasar fuerte hasta que resulte suave y homogénea (30 min.).

Luego reposar a 27 grados ºC o hasta que la masa doble su volumen. Mezclar el azúcar con el mejorador y agregar a la masa juntamente con el colorante y la esencia de Panetón.

Nuevamente amasar profundamente, agregar las pasas, la fruta confitada y poner en el molde cubierto con papel manteca o en papel especial.

Reposar hasta que doble su volumen (aprox. 1 hora) y luego hornear a 110ºC aproximadamente 40 min, si se poseen hornos de más tecnología hornear a 190ºC por 15 minutos.

* revisar el horneado cada cierto tiempo para cerciorarse que la cocción esta siendo correcta.

Tambien les dejo 7 videos (de menos de 1 minuto cada uno) que muestran una técnica muy interesante que se utiliza en panaderías de Italia para hacerla antes de que la masa sea horneada, consiste en hacer cortes en la superficie y adicionar mantequilla.

Video 1 Video 2 Video 3 Video 4 Video 5 Video 6 Video 7