La aplicación de pulsos eléctricos de alto voltaje en alimentos
Es una
prometedora tecnología para la conservación de alimentos sin empleo
del calor. El tratamiento térmico tradicional inactiva bacterias y otros
microorganismos patógenos, pero tiene como consecuencia la degradación de las
características organolépticas y nutritivas del alimento. Sin embargo, la
aplicación de pulsos eléctricos a temperatura ambiente no altera la
calidad fisicoquímica del alimento.
La inactivación de los microorganismos que
alteran los alimentos se logra sometiendo a estos últimos
a la acción de campos eléctricos intensos durante cortos tiempos (del orden
de ms). El tratamiento puede tener lugar en cámaras estáticas o de
flujo continuo con dos electrodos paralelos sujetos con un material aislante.
La inactivación microbiana se produce por un
daño sobre la membrana celular dependiendo de la intensidad del
campo eléctrico, del tiempo de tratamiento y de la naturaleza del
microorganismo.
La aplicación de campos eléctricos sobre suspensiones
celulares se estudió en décadas pasadas, observándose la creación de una
diferencia de potencial a través de la membrana, acompañada por un
rápido incremento en la conductividad y la permeabilidad
de esta.
Los resultados preliminares sobre la inactivación de
microorganismos provocada por la aplicación de pulsos eléctricos y el escaso
calor desprendido durante el proceso, hace pensar en el desarrollo de esta
tecnología de conservación de alimentos como
alternativa al tratamiento térmico.
La aplicación de campos eléctricos de hasta 25 kV/cm
durante tiempos cortos (del orden de ms) se demostró que producía una
inactivación superior al 99.9% (Sale y Hamilton, 1967), además
aplicaron campos eléctricos de hasta 25
kV/cm en pulsos desde 2 a 20 ms sobre
suspensiones de los microorganismos. La inactivación de la población
bacteriana dependía de la intensidad del pulso eléctrico
y del tiempo del tratamiento, además describieron la inactivación de las
células bacterianas, como una ruptura de protoplastos acompañada de la salida
del líquido intracelular.
El efecto de la aplicación de pulsos eléctricos sobre la membrana
celular viene dado por la teoría del potencial (Schwan, 1977, citado
por Hulsheger et al., 1983). Esta teoría supone que el
potencial inducido a través de la membrana depende del tamaño de la
célula. Para células esféricas rodeadas por membranas no conductoras, el
potencial inducido viene dado por la expresión:
Vm =
f.a.Ec, donde: Vm
= potencial inducido en la membrana
a
= Radio celular f = Factor de forma y Ec =
potencial externo.
Zimmermann et
al. (1974) obtuvieron la ecuación matemática para el cálculo
del potencial de membrana en partículas no esféricas. Suponiendo que las
células tienen forma de cilindro con un hemisferio a cada lado, el factor de
forma se obtiene según:
F = L/(L – 0,33
d) donde: L
= Longitud de partícula y d =
diámetro
Cuando el potencial de la membrana bacteriana alcanza el
valor de 1 V se abren los poros que permanecen abiertos después de retirado
el potencial. De ello se deduce que dicho potencial es crítico para
la inactivación de las bacterias, sin embargo, las bacterias y levaduras no
presentan el mismo comportamiento ante la inactivación celular por campos eléctricos.
Los cationes divalentes como el Ca ++ y Mg ++ juegan un
importante papel en la integridad de las membranas bacterianas (Asbell y Eagon,
1966, citado por Hulsheger et al., 1981) y su presencia en
suspensiones a tratar protege las membranas celulares durante el tratamiento
eléctrico.
La inactivación microbiana por aplicación de pulsos
eléctricos depende inicialmente de las propiedades intrínsecas de la célula
microbiana tales como resistencia eléctrica y potencial de membrana.
Mecanismos de ruptura de la membrana celular
Ruptura dieléctrica. -
La fuerte polarización de las células viables producida por un campo eléctrico
eterno lleva a un incremento de la conductividad y la permeabilidad de la
membrana y el grado de permeabilidad depende de la intensidad y duración del
campo aplicado (Coster, 1965)
Numerosas investigaciones indican que la ruptura
dieléctrica produce inestabilidad local en la membrana debida a la
comprensión electromecánica y a la tensión de campo eléctrico
inducida, dando lugar a la formación de poros.
La bicapa de la membrana celular es un material
dieléctrico con una constante dieléctrica pequeña (K=2) comparada con el agua
(K=80). La aplicación de campos eléctricos produce un incremento del potencial
a través de la membrana. Como resultado, se acumulan cargas opuestas en ambos
lados de la membrana que se atraen entre sí. Esta atracción da lugar
a una compresión que reduce el espesor de la membrana. Las fuerzas elásticas o
viscoelásticas restauradoras se oponen a la electrocompresión. Cuando las
fuerzas compresivas actúan más rápidamente, con disminución del espesor de
membrana, que las fuerzas elásticas restauradoras, se produce una
rotura local de la membrana. Esto ocurre al aplicar un campo
eléctrico externo de intensidad 2 – 20 kV/cm (Zimmermann, 1986).
Electroporación. -
La electroporación es el fenómeno según el cual, una célula expuesta
a un campo eléctrico de alto voltaje sufre una desestabilización
temporal de la bicapa lipídica y las proteínas de su membrana
(Chang et al., 1992). La consecuencia es la formación de poros en
la membrana, por lo que ésta queda parcial o totalmente dañada.
En la membrana celular hay canales proteicos, poros y
burbujas. La apertura y el cierre de muchos canales proteicos depende del
potencial eléctrico a través de la membrana. El potencial
umbral para la formación de canales está alrededor de
50mV. Este potencial es más pequeño que la capacidad dieléctrica de la bicapa
lipídica. Por ello cuando se aplican pulsos eléctricos de 150 – 500
mV, muchos canales proteicos sensibles al voltaje se abrirán antes
de que el potencial eléctrico a través de la membrana alcance el potencial de
ruptura de la bicapa lipídica. Los canales proteicos una
vez abiertos pueden experimentar corrientes mucho más grandes de las que pueden
resistir. Como resultado, las proteínas constituyentes de los canales pueden
desnaturalizarse irreversiblemente por el efecto Joule o por modificación
eléctrica de los grupos funcionales (Tsong, 1991).
Las bicapas de lípidos son sensibles a la aplicación de
pulsos eléctricos debido a las cargas eléctricas de las moléculas
lipídicas y a la permeabilidad de la bicapa de los iones. Las cargas eléctricas
pueden inducir a la orientación de las moléculas de
lípidos bajo un campo eléctrico intenso, formando poros
hidrofílicos y dañando a la bicapa que sirve de barrera frente a los
iones. Los iones conducen corriente generando así un calentamiento Joule local
e induciendo a un gradiente térmico en la bicapa lipídica. De ese modo, la
electroporación en la membrana celular puede tener lugar tanto en los canales
proteicos como en las bicapas lipídicas. (Tsong, 1991).
Aplicación de campos eléctricos en la
elaboración de alimentos
Fetterman (1928) usó la
conductividad eléctrica para inactivar Tubercle bacilli y E. Coli en
leche. Getchell (1935) pasterizó este alimento a 71ºC durante 15 segundos
mediante el paso de corriente alterna a 220 V y un enfriamiento posterior.
Tracy (1932) pasó corriente alterna de 120 V y 60 Hz durante 60 segundos a
través de suspensiones de Saccharomyces ellipsoideus en jugo de uva a la
temperatura no letal de 42ºC y se inactivó el 96% de las células viables. Ello
indica que la acción letal sobre las células de levadura se ha debido al paso
de la corriente eléctrica, con independencia de la temperatura. El tratamiento
eléctrico del jugo de uva durante 30 minutos no restó nutrientes a las
levaduras, ni los gases desprendidos por la electrolisis fueron tóxicos para
ellas.
Moses (1938) estimó que, entre 1928 y 1938, al menos 200
millones de litros de leche se consumieron pasterizados eléctricamente sin
efectos perjudiciales para la salud de los consumidores. sin
embargo, este sistema de pasterización dejó de utilizarse sin
ninguna razón aparente. Dunn y Pearlman (1987) patentaron para
Maxwell Laboratories, Inc., San Diego, California, U.S.A., un equipo para la conservación
de fluidos alimenticios tratados con pulsos eléctricos
entre 12 y 25 kV/cm durante 1 – 100 ms a 63-75ºC. Así se
alarga la vida útil de los mismos y, más aún, si se enfrían rápidamente y se
mantienen en refrigeración.
La aplicación de pulsos eléctricos a los alimentos en
escala industrial requiere del conocimiento de la intensidad de campo eléctrico
efectiva para la inactivación de microorganismos. El mejoramiento de campo en
el electrodo, el fenómeno de ruptura dieléctrica y las propiedades eléctricas y
dieléctricas del alimento.
Conclusiones:
Se puede conseguir la inactivación de la células
microbianas mediante la aplicación de pulsos eléctricos de alto voltaje durante
tiempos cortos, ya que estos rompen la continuidad de las membranas celulares
de bacterias y levaduras.
El desarrollo de la tecnología para la
aplicación de pulsos eléctricos en la conservación de alimentos es
un reto para los ingenieros eléctricos y de alimentos. Sus parámetros críticos
son la intensidad de campo eléctrico, el tiempo de tratamiento y el grado de
inactivación buscado para microorganismos particulares.
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