Procesado de zumo de sandía mediante pulsos eléctricos

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Procesado de zumo de sandía mediante pulsos eléctricos

Ingrid Aguiló-Aguayo Pedro Elez-Martínez Robert Soliva-Fortuny Olga Martín-Belloso omartin@tecal.udl.es

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PEAIC en zumo de sandía

Procesado de zumo de sandía mediante pulsos eléctricos de alta intensidad de campo para una mejor conservación de su calidad y propiedades beneficiosas para la salud

Indice

Información comercial

Introducción

3

Principios básicos de los PEAIC

3

Efecto de los PEAIC sobre microorganismos

5

Efecto de los PEAIC sobre enzimas alteradoras

6

Efecto de los PEAIC sobre los componentes bioactivos

7

Efecto de los PEAIC Sobre calidad organoléptica

8

Almacenamiento de zumos Procesados por PEAIC

10

Consideraciones finales

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Referencias

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PEAIC en zumo de sandía

Introducción Los cambios en el estilo de vida de la sociedad actual condicionan los hábitos alimentarios de los consumidores. La demanda de productos saludables que posean una elevada calidad organoléptica se encuentra en auge. Los fabricantes de zumos son conscientes de estos cambios y continuamente cubren las nuevas demandas con un amplio abanico de productos con nuevas funcionalidades, sabores y formatos. El zumo de sandía representa una pequeña fracción dentro de la extensa gama de zumos disponibles comercialmente. El zumo de sandía reúne una serie de características organolépticas y nutritivas que hacen de él un producto muy atractivo para el consumidor y con unas excelentes expectativas de crecimiento en el mercado de zumos (Edwards et al., 2003) En la actualidad, la pasteurización térmica es el tratamiento comúnmente utilizado por las industrias para procesar los zumos de frutas. Sin embargo, aunque esta técnica ha demostrado ser muy eficaz para lograr la pasteurización de los zumos, la pérdida significativa de nutrientes y la reducción de la calidad organoléptica respecto al producto fresco ha provocado que se busquen alternativas tecnológicas a los tratamientos térmicos tradicionales. Por ello, se están desarrollando tratamientos no térmicos de conservación como los pulsos eléctricos de alta intensidad de campo (PEAIC) que resultan menos agresivos que el calor, proporcionando productos estables con características sensoriales y nutritivas mucho más próximas a las del producto fresco.

Principios básicos de los PEAIC La aplicación de PEAIC como tecnología emergente de conservación consiste básicamente en el sometimiento de un alimento a la influencia de un campo eléctrico pulsado de alta intensidad (20-80 kV/cm) durante algunos microsegundos, sin ocasionar un incremento drástico de temperatura en el producto durante el proceso.

En la actualidad, se dispone de equipos de PEAIC, tanto para realizar estudios básicos a escala de laboratorio (Figura 1) como en planta piiloto, capaces de procesar un volumen de hasta 2000L/h a una potencia de 30 kW. La configuración básica de los equipos de PEAIC comprende

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un sistema de generación de pulsos eléctricos de alto voltaje y una o varias cámaras de tratamiento a través de las cuales fluye el producto a tratar, pudiendo operar en modo continuo o intermitente (Figura 2).

La eficacia del procesado por PEAIC depende de la energía aplicada y de factores de procesado entre los que se encuentran la intensidad de campo eléctrico, el tiempo total de tratamiento, la anchura, la frecuencia y la polaridad de los pulsos eléctricos. Así mismo, factores inherentes al alimento, tales como la conductividad eléctrica, el pH, la fuerza iónica, el contenido en nutrientes, la presencia de partículas en suspensión y la viscosidad, también juegan un papel crucial en la definición de los parámetros y condiciones de tratamiento y su efectividad. Por tanto, las condiciones de tratamiento deben definirse para cada alimento en particular, lo que no es ajeno a cualquier técnica de conservación utilizada habitualmente en la industria alimentaria.

Equipo PEIAC

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Los equipos PEAIC pueden operar de modo continuo o intermitente

Efecto de los PEAIC sobre microorganismos En los estudios realizados hasta el momento, se ha comprobado la capacidad de los PEAIC para inactivar microorganismos patógenos y alteradores en zumo de sandía, considerando su utilización como una buena alternativa a los tratamientos térmicos convencionales. Con el fin de optimizar los parámetros de procesado por PEAIC se ha estudiado la inactivación de Salmonella Enteritidis, Escherichia coli y Listeria monocytogenes inoculados en zumo de sandía (Mosqueda-Melgar et al., 2007). Se ha observado que al aplicar tiempos de tratamiento de 1682 ms y frecuencias de 200 Hz, manteniendo un campo eléctrico de 35 kV/cm y una anchura de pulso de 4 ms en modo bipolar se consigue una reducción logarítmica del orden de 3.5 ciclos en estos microrganismos. De igual forma, se ha demostrado que L. monocytogenes es más resistente a los PEAIC que S. Enteritidis y E. coli, por lo que se propone L. monocytogenes como microorganismo de referencia al establecer las condiciones de tratamiento mediante PEAIC en este producto. Las investigaciones realizadas hasta el momento sobre el efecto que producen los PEAIC en los microorganismos señalan el daño a la membrana celular como la principal causa de inactivación microbiana. Tras la aplicación de los PEAIC, la membrana de los microorganismos queda dañada por desestabilización proteica, dando lugar a la formación de poros, a través de los cuales se liberan orgánulos celulares, lo que implica la pérdida de las funciones biológicas de los microorganismos (Figura 3). Por otro lado, la eficacia de los PEAIC en la inactivación de microorganismos patógenos inoculados en estos zumos puede combinarse con otras técnicas, como la

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adición de agentes antimicrobianos naturales, consiguiéndose el objetivo de pasteurización de los alimentos procesados. Se ha observado que el tratamiento mediante PEAIC resulta más efectivo en la inactivación microbiana al ser combinado con la adición de 1,5% de ácido cítrico o un 0,2% de aceite esencial de canela. Cabe también resaltar, que mientras la aplicación de PEAIC en el zumo de sandía no afecta a sus atributos sensoriales, la adición de estos antimicrobianos implica cambios perceptibles en el sabor y olor del producto (Mosqueda-Melgar et al., 2008).

Efecto de los PEAIC sobre enzimas alteradoras La literatura existente sobre el efecto de los PEAIC en la inactivación enzimática demuestra que las enzimas son menos sensibles a los PEAIC que los microorganismos y que su inhibición depende de la propia enzima, el medio donde ésta se encuentra y los parámetros de procesado. Los PEAIC han resultado ser efectivos a la hora de inactivar las principales enzimas responsables de cambios en los atributos físicos y sensoriales del zumo de sandía.

Tras la aplicación de PEAIC se han constatado niveles altos de inactivación en zumo de sandía de enzimas tales como peroxidasa (POD), que tiene relación directa con la aparición de coloraciones oscuras en estos productos, así como pectin metilesterasa (PME), que es una de las principales causantes de cambios en la viscosidad de los zumos. Las hipótesis que se mantienen sobre el mecanismo por el que los tratamientos mediante PEAIC afectan a la actividad de las enzimas sostienen que la estabilidad estructural de éstas se ve comprometida tras el tratamiento, perturbando la distribución espacial del centro activo y dificultando el ensamblaje al sustrato. Otras enzimas, como la poligalacturonasa (PG) o lipoxigenasa (LOX), ven reducidas sus actividades por los tratamientos mediante PEAIC hasta un 50% de su actividad inicial (Aguiló-Aguayo et al., 2010a; 2010b). Las investigaciones en zumo de sandía indican que la eficacia del procesado por PEAIC en la disminución de la actividad enzimática es mayor cuanto más intensas son las condiciones de tratamiento en relación a la frecuencia de pulsación y la anchura de pulso, siempre que se mantengan una intensidad de campo eléctrico y un tiempo de tratamiento elevados, trabajando en modo bipolar.

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Por otro lado, también se ha constatado que los niveles de inactivación enzimática alcanzados en zumos pasteurizados por PEAIC son similares a los obtenidos en zumos de sandía pasteurizados mediante tratamientos térmicos convencionales (Aguiló-Aguayo et al., 2010c). De este modo, los tratamientos mediante PEAIC podrían representar una alternativa tecnológica a los tratamientos térmicos convencionales, ya que permitirían conservar las características organolépticas de los zumos frescos mediante la inactivación de enzimas implicadas en la alteración de su calidad sensorial.

Efecto de los PEAIC sobre los componentes bioactivos Las propiedades antioxidantes del zumo de sandía vienen definidas principalmente por su gran contenido en licopeno, pigmento que proporciona su color rojo característico y que resulta claramente beneficioso para la salud debido a su poder antioxidante, que se ha relacionado con la prevención de enfermedades cardiovasculares y ciertos tipos de cáncer. Por otro lado, la vitamina C está considerada como uno de los principales antioxidantes naturales que contribuye a la prevención de diversas enfermedades relacionadas con el estrés oxidativo de las células. Aunque los trabajos en los que se estudia el efecto de los PEAIC en los componentes bioactivos y antioxidantes de los zumos son escasos, se ha observado que las temperaturas moderadas de procesado mediante PEAIC contribuyen a mantener las propiedades nutricionales de los alimentos en mayor medida que los tratamientos térmicos convencionales.

Las condiciones de tratamiento mediante PEAIC se han podido optimizar para obtener zumos con un alto potencial antioxidante. Se ha observado un incremento en la concentración de licopeno y en la capacidad antioxidante del zumo al incrementar la intensidad de campo, la frecuencia de pulsación y la anchura de pulso, mientras que estas condiciones han provocado una disminución en el contenido en vitamina C. Estas investigaciones han desvelado que se puede obtener zumos de sandía con un mayor contenido en

licopeno (113% del inicial), conservando

mejor la vitamina C (72% del contenido inicial) y sin variaciones sensibles en el potencial antioxidante al procesar el zumo a 35 kV/cm durante 50 ms y aplicando pulsos bipolares de 7 ms a 200 Hz (Oms-Oliu et al., 2009).

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Efecto de los PEAIC en la calidad organoléptica La posible implicación de los PEAIC en el mantenimiento o incluso en la mejora de la calidad sensorial de los zumos está despertando un creciente interés por parte de las industrias transformadoras.

En el caso del color, que juega un papel importante en la aceptabilidad comercial de los zumos, se ha observado que los PEAIC inducen menores cambios en el color de los zumos que los tratamientos térmicos. Según Aguiló-Aguayo et al. (2009), tratamientos que combinan frecuencias y anchuras de pulso inferiores a 100 Hz y 2.5 ms, respectivamente, proporcionan cambios mínimos de color en los zumos de sandía, sin afectar significativamente al índice de pardeamiento de los zumos. Los estudios llevados a cabo en zumo de sandía han mostrado que procesando a estas mismas condiciones se alcanzan valores de inactivación de enzimas oxidativas, como peroxidasa, superiores al 85%, por lo que los PEAIC permiten contribuir a la reducción de las pérdidas de calidad de los zumos causadas por la exposición a la acción de enzimas oxidativas (Aguiló-Aguayo et al., 2010a) Por otro lado, las propiedades reológicas de los zumos pueden verse influidas por el procesado mediante PEAIC. Algunos estudios muestran ligeros incrementos en la viscosidad de los zumos de sandía después de ser tratados a 35 kV/cm durante 1000 ms y aplicando frecuencias de pulsación de 250 Hz y anchuras de pulso de 7 ms en modo bipolar (Aguiló-Aguayo et al., 2010b). Paralelamente, los zumos de sandía procesados tanto por PEAIC como por calor han mostrado valores de viscosidad más elevados que los de los zumos sin tratar. Las enzimas PME y PG se encuentran implicadas en alteraciones de la estructura péctica, lo que indica que cambios en las actividades de estas enzimas provocarían modificaciones en la viscosidad de los productos en los que se encuentran. Por otro lado, las evaluaciones sensoriales han permitido comparar aspectos tales como el color, el sabor y el olor de zumos procesados tanto por PEAIC como por calor. En el caso del zumo de sandía, un panel de jueces no entrenados valoró mejor al zumo procesado mediante PEAIC que al tratado por calor, obteniendo incluso una valoración global similar a la de un zumo de sandía fresco (Tabla 1) (Mosqueda-Melgar et al., 2008).

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Tabla 1. Puntuación en los atributos sensoriales evaluados por los jueces en diferentes zumos de sandía procesados (Mosqueda-Melgar et al., 2008).

Zumo fresco sin tratamiento

Zumo procesado mediante PEAIC

Zumo procesado mediante TT

Olor

6,7

6,7

4,0

Color

8,3

8,1

2,7

Sabor

7,2

7,6

5,0

Acidez

7,1

7,4

5,8

Valoración global

7,3

7,2

3,5

PEAIC: Pulsos eléctricos de alta intensidad de campo (PEAIC) (35 kV/cm durante 1682 µs, 200 Hz, anchura 4 µs, bipolar). TT: Tratamiento térmico (90 ºC durante 1 min).

Con el fin de dar respuesta a las posibilidades que puede ofrecer esta tecnología, se está empezando a estudiar el impacto de los PEAIC en la concentración de algunos compuestos volátiles presentes en los zumos. Los resultados obtenidos en zumo de sandía han sido prometedores, ya que las concentraciones de compuestos determinantes en el perfil aromático de la sandía como hexanal y (E)-2-nonenal se ven incrementadas en un 25% y en un 17% tras procesar el zumo de sandía mediante PEAIC, manteniéndose claramente por encima de los niveles detectados en el zumo tratado por calor (Aguiló-Aguayo et al., 2010d). De forma análoga, se ha podido constatar un aumento próximo al 27% de las concentraciones de nonanal en el zumo fresco tras la aplicación de PEAIC. La actividad residual lipoxigenásica obtenida en los zumos de sandía procesados por PEAIC podría guardar cierta relación con el aumento en la emisión de estos volátiles. La formación de algunos compuestos aromáticos está directamente relacionada con la oxidación de ácidos grasos insaturados, en la que se encuentra involucrada esta enzima. Otros compuestos importantes, como 6-metil-5-hepten-2-ona y geranilacetona, se han visto fuertemente afectados por el tratamiento térmico, mientras que los PEIAC han ejercido un efecto positivo en el mantenimiento de su concentración inicial. Las moderadas temperaturas alcanzadas en el zumo de sandía durante la aplicación del tratamiento por

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PEAIC se han relacionado con la buena retención de estos compuestos en las muestras procesadas.

Almacenamiento de zumos procesados por PEAIC Alargar la vida útil de los zumos por medio de los PEAIC es uno de los principales objetivos de los investigadores. En la tabla 2 puede observarse cómo el tratamiento de PEAIC garantiza la estabilidad microbiológica del zumo de sandía durante 50 días, siendo similar a la obtenida mediante un tratamiento térmico. También cabe destacar el efecto letal de los PEAIC al combinarlos con antimicrobianos naturales como el ácido cítrico o el aceite esencial de canela, que pueden llegar a alargar la vida útil microbiológica del zumo de sandía en más de 91 días (Mosqueda-Melgar et al., 2008). Del mismo modo, mantener el atractivo color natural de los zumos procesados durante el almacenamiento es otro de los retos que se plantean. Aguiló-Aguayo et al. (2010c) observaron que el zumo de sandía procesado por PEAIC (35 kV/cm durante 1727 ms; bipolar 4 ms anchura de pulso a 188 Hz) mantenía mayor tono y luminosidad durante el almacenamiento que los zumos pasteurizados por calor. Este hecho pudo relacionarse con el efecto inhibidor de los PEAIC sobre enzimas que puedan afectar al color, así como con la minimización de reacciones de pardeamiento no enzimático que podrían tener lugar (Aguiló-Aguayo et al., 2009; 2010a). Además, se ha observado que los zumos de sandía procesados por PEAIC mantienen valores de viscosidad superiores a los de los zumos no procesados, guardando cierta relación con el efecto que ejercen los PEAIC en la reducción de actividad de algunas enzimas pectolíticas (Aguiló-Aguayo et al., 2010c). Por otro lado, los zumos procesados por PEAIC no tan sólo presentan una mayor retención de compuestos aromáticos que los zumos procesados por calor, sino que conservan mejor sus características aromáticas a lo largo del almacenamiento. Se ha constatado en zumo de sandía pasteurizado por PEAIC, que a los 50 días de almacenamiento se sigue reteniendo mayor concentración de aldehídos característicos del aroma de sandía que en los procesados por calor. En el caso de algunos alcoholes, incluso se ha podido observar que los zumos de sandía procesados por PEAIC mantienen elevadas concentraciones de 1-nonanol y (Z)-3-nonel-1-ol a lo largo de este periodo de almacenamiento (Aguiló-Aguayo et al., 2010d) (Tabla 2).

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Consideraciones finales La tecnología de PEAIC puede representar una buena alternativa a los tratamientos térmicos tradicionales. Los resultados obtenidos hasta ahora muestran que se pueden alcanzar niveles de destrucción de microorganismos tanto alterantes como patógenos similares a los conseguidos mediante la pasteurización térmica del zumo. Además, la aplicación de PEAIC permite lograr niveles de inactivación elevados de varias enzimas que pueden alterar los atributos de calidad de los zumos.

Por otra parte, cabe remarcar que los PEAIC mantienen el potencial antioxidante de los zumos de sandía, y que, por lo tanto, se ofrece al consumidor un producto estable y seguro con un alto valor nutritivo.

Finalmente, otro de los aspectos relevantes es la mayor perdurabilidad y mantenimiento de los atributos organolépticos de los zumos procesados mediante esta tecnología en comparación con los tratados térmicamente.

Aún quedan algunos obstáculos que dificultan la comercialización de los zumos procesados por PEAIC. Por un lado se encuentran aspectos técnicos, ya que deben desarrollarse equipos de procesado por PEAIC con una mayor producción horaria con el fin de consolidar su aplicación a escala industrial. Y por otro lado, se encuentran aspectos legislativos, que implican la cumplimentación de trámites extremadamente largos y tediosos regulados por el Reglamento europeo para el empleo de nuevas tecnologías de procesado de alimentos y para la comercialización de los productos así tratados.

Tabla 2. Parámetros microbiológicos y físicoquímicos del zumo de sandía sin procesar y procesados mediante PEAIC y térmicamente almacenados en refrigeración (Mosqueda-Melgar et al., 2008; Aguiló-Aguayo et al., 2010c; 2010d).

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PEAIC en zumo de sandía Zumo fresco sin tratamiento a los 15 días

Zumo procesado Zumo procesado mediante TT a mediante los 50 días PEAIC a los 50 días

Aerobios mesófilos (log10 UFC/mL)

<4

<2

<1

Mohos y levaduras (log10 UFC/mL)

<2

<1

<1

Aeróbios psicrófilos (log10 UFC/mL)

<3

<1

<1

26.04

26.93

26.81

0,33

0,61

0,37

Viscosidad (mPa·s)

3,15

5,22

6,72

Actividad peroxidásica residual (%)

90%

<20%

<20%

Actividad pectin metilesterásica residual (%)

90%

<15%

<10%

Contenido residual dede hexanal (%)

89%

35%

21%

Contenido residual de (E)-2Nonenal (%)

68%

55%

55%

Contenido residual de 1-nonanol (%)

72%

87%

87%

Retención (Z)-3-nonen-1-ol (%)

89%

89%

87%

Color: L* h°

PEAIC: Pulsos eléctricos de alta intensidad de campo (PEAIC) (35 kV/cm durante 1727 µs, 188 Hz, anchura 4 µs, bipolar). TT: Tratamiento térmico 90 ºC durante 1 min.

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Referencias Aguiló-Aguayo, I.; Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2009). Avoiding nonenzymatic browning by high-intensity pulsed electric fields in strawberry, tomato and watermelon juices. Journal of Food Engineering, 92(1), pp. 37-43.

Aguiló-Aguayo, I.; Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2010a). Impact of highintensity pulsed electric field variables affecting peroxidase and lipoxygenase activities of watermelon juice. LWT-Food Science and Technology, 43(6), pp. 897-902.

Aguiló-Aguayo, I.; Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2010b). Optimizing critical high-intensity pulsed electric fields treatments for reducing pectolytic activity and viscosity changes in watermelon juice. European Food Research and Technology, pp. 1-9.

Aguiló-Aguayo, I.; Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2010c). Color and viscosity of watermelon juice treated by high-intensity pulsed electric fields or heat. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 11(2), pp. 299-305.

Aguiló-Aguayo, I.; Montero-Calderón, M.; Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2010d). Changes on flavor compounds throughout cold storage of watermelon juice processed by high-intensity pulsed electric fields or heat. Journal of Food Engineering.

DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2010.03.25.

Edwards, A.J.; Vinyard, B.T.; Wiley, E.R.; Brown, E.D.; Collins, J.K.; Perkins-Veazie, P.; Baker, R.A.; Clevidence, B.A. (2003). Consumption of watermelon juice increases plasma concentrations of lycopene and b-carotene in humans. Journal of Nutrition 133 (4), pp. 1043–1050.

Elez-Martínez, P.; Escolà-Hernández, J.;, Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2004). Inactivation of Saccharomyces cerevisiae suspended in orange juice using highintensity pulsed electric fields. Journal of Food Protection, 76, pp: 10.

Mosqueda-Melgar, J.; Raybaudi-Massilia, R.M.; Martín-Belloso, O. (2007). Influence of treatment time and pulse frequency on Salmonella Enteritidis, Escherichia coli and Listeria monocytogenes populations inoculated in melon and watermelon juices treated by pulsed electric fields. International Journal of Food Microbiology, 117(2), pp. 192-200.

Mosqueda-Melgar, J.; Raybaudi-Massilia, R.M.; Martín-Belloso, O. (2008).

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Oms-Oliu, G.; Odriozola-Serrano, I.; Soliva-Fortuny, R.; Martín-Belloso, O. (2009).

Effects of high-intensity pulsed electric field processing conditions on lycopene, vitamin C and antioxidant capacity of watermelon juice. Food Chemistry, 115, pp. 1312-1319.

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