Calentamiento óhmico para el procesamiento de alimentos
Dra. Marcela Gaytán-Martínez
Dr. M. L. Reyes-Vega
Universidad Autónoma de Querétaro
Posgrado en Ciencia y Tecnología de Alimentos
Laboratorio de Química y Funcionalidad de Carbohidratos
El calentamiento óhmico (CO), también denominado calentamiento por efecto Joule, es una tecnología térmica emergente que sirve como alternativa a los métodos de calentamiento convencionales. El principio de la tecnología de calentamiento óhmico se basa en que, si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren los electrones con los átomos del material conductor por el que circulan, ocasionando una elevación de la temperatura del mismo (Da Silva et al., 2019).
El CO, es un proceso comercial innovador en el cual una corriente eléctrica es aplicada a un alimento. Los parámetros que deben controlarse son tiempo, temperatura, el diseño del dispositivo de calentamiento, la fuerza del campo eléctrico, el voltaje aplicado y las propiedades fisicoquímicas del alimento, tales como la conductividad eléctrica y las fases del mismo (Barrón-García et al., 2021).
El tratamiento puede llevarse a cabo por lote o en un sistema de flujo continuo. El flujo de corriente se desarrolla en función de la fuerza del campo eléctrico (voltaje aplicado), la configuración de los electrodos y la conductividad del alimento. De acuerdo con la Ley de Joule, este flujo de corriente es la entrada de energía y se caracteriza por la conversión casi total de energía eléctrica en calor, alta densidad de energía y tiempos cortos de calentamiento.
El CO puede ser utilizado en procesos de escaldado, fermentación, extracción, esterilización, deshidratación, esterilización, calentamiento, pasteurización, recuperación de compuestos bioactivos y cocción.
Ventajas del calentamiento óhmico
La tecnología de CO ha sido diseñada para mejorar y solucionar inconvenientes relacionados con procesos convencionales. El uso de esta tecnología alternativa aumenta la productividad de los procesos. Por ejemplo, Coelho et al. (2023) aplicaron el CO para valorizar residuos de la industria vinícola (orujo de uva). Los autores reportan que el CO produce extractos con 53% más capacidad antioxidante respecto al método de extracción convencional, con agua caliente. Por otro lado, Ramírez-Jiménez et al. (2023) encontraron que, en harinas nixtamalizadas por CO, mejoraba el contenido de calcio 2.68 veces más (0.96 a 2.56g/100g) que en las muestras comerciales producidas por nixtamalización tradicional.
Otra ventaja es que el CO conserva compuestos de importancia en la nutrición, así como compuestos bioactivos. El CO puede aumentar la digestibilidad de proteínas en un 16.55% respecto a una tortilla procesada por nixtamalización tradicional (de 82 a 96 g/100g) (Ramírez-Jiménez et al., 2023).
El CO mantiene las características sensoriales de los alimentos. Por ejemplo, en aislados de proteínas vegetales se ha reportado que se mejora la elasticidad, la masticabilidad y la cohesividad, así también, mantiene el sabor característico del producto (Chen et al., 2024).
Otra ventaja es que puede reducir las aguas residuales de los procesos hasta en un 75%. Lo anterior se debe a que el CO genera el calor de la muestra desde el interior, lo que acelera el proceso de cocción y, por ende, reduce el consumo de agua y de energía, así como efluentes contaminantes
El uso de energía en el CO es eficiente. Su tasa de conversión es superior al 90%. En consecuencia, el aumento de eficiencia en el uso de energía en los procesos de fabricación contribuye a reducir las emisiones de dióxido de carbono procedente de combustibles fósiles. Además, puede considerarse que el uso de energía eléctrica podría obtenerse de energías renovables.
Aplicaciones del calentamiento óhmico en alimentos
El CO es una tecnología relativamente nueva y muy prometedora. Actualmente, existen más de 50 plantas distribuidas en el mundo que utilizan el calentamiento óhmico para procesar alimentos (Simpson, 2007).
Ríos-Ríos et al. (2021) estudiaron la capacidad de CO para reducir el tiempo de procesamiento para obtener ajo negro. Primeramente, aplicaron un pretratamiento por CO el cual facilitó la hidrólisis de los fructanos a fructosa, que se degradan durante condiciones de tratamiento tradicionales (70°C/94% HR). El pretratamiento aceleró la reacción de Maillard, lo que redujo el tiempo de 30 a 12 días. El contenido de 5-hidroximetil-2-furaldehído del ajo negro fue 3.6 veces mayor en el obtenido con pretratamiento con CO respecto al obtenido por el tratamiento tradicional. Además, presentaba mayor dulzor (36.8 y 31.6oBx), lo que influyó en una mayor aceptación sensorial.
Gaytán-Martínez et al. (2021), reportaron la obtención de harinas nixtamalizadas usando un cocedor de CO. Las harinas obtenidas por CO presentaron mayor rendimiento de tortillas, con una textura adecuada. Debido a que el CO es un sistema cerrado, no hubo mermas en la cantidad de grasas y proteínas; además, tuvieron mayor contenido de fibra dietética respecto al tratamiento tradicional. Además, el proceso no generó efluentes contaminantes.
La inactivación de enzimas es una de las aplicaciones más reportadas en la literatura. Barrón-García et al. (2021) mostraron que la aplicación del CO a pulpa de mango puede inactivar completamente la actividad de la polifenoloxidasa en 15 s a 72 ± 1°C.
En otro estudio se evaluó el almidón de maíz con alto contenido de amilosa (AA) en diversas condiciones de CO. Los autores mostraron que el AA es térmicamente estable hasta temperaturas de 180oC. Por lo que al aplicar el CO se aumentó la viscosidad del almidón, permitiendo mayor interacción del AA con el agua, generando geles más estables (Castro-Campos et al., 2023).
Controlar el campo eléctrico (CE) aplicado durante el CO permite modificar el contenido de almidón resistente en un almidón de maíz nativo. El CE aplicado durante el CO puede causar dos efectos principales en el almidón de maíz nativo: la gelatinización del almidón, debido al efecto térmico, y un aumento de la fracción no digerible a través de efectos no térmicos. La formación de almidón resistente se asocia a la electrólisis ocasionada por el campo eléctrico durante el CO. Éste aumentó hasta 3.54 veces cuando se aplicó 100 V/cm CE (Flores-García et al., 2021).
Perspectivas del calentamiento óhmico
El futuro de esta nueva tecnología se ofrece prometedor para el procesamiento de alimentos, debido a sus ventajas. Entre ellas pueden citarse el corto tiempo de procesamiento; la eficiencia en el uso de energía, lo cual reduce el gasto del proceso; el ahorro de agua al evitar la evaporación de la misma en ese corto tiempo de procesamiento y la versatilidad de este proceso al poder seleccionar entre las opciones continuo o discontinuo. Además de las ventajas sobre el procesamiento, cabe agregar aquellas obtenidas sobre los alimentos procesados, tales como las relativas a las propiedades sensoriales, como son conservar en mayor grado que en los tratamientos convencionales su sabor, su aroma y su textura; también se conservan en mayor grado algunos compuestos importantes para la salud, tales como vitaminas y compuestos probióticos. Además, controlando el CO, puede obtenerse almidón resistente, cuyas ventajas se han mencionado previamente y la rápida inactivación de enzimas.
Referencias:
Barrón-García, O. Y., Gaytán-Martínez, M., Ramírez-Jiménez, A. K., Luzardo-Ocampo, I., Velazquez, G., & Morales-Sánchez, E. (2021). Physicochemical characterization and polyphenol oxidase inactivation of Ataulfo mango pulp pasteurized by conventional and ohmic heating processes. Lwt, 143, 111113.
Castro-Campos, F. G., Morales-Sánchez, E., Cabrera-Ramírez, Á. H., Martinez, M. M., Rodríguez-García, M. E., & Gaytán-Martínez, M. (2023). High amylose starch thermally processed by ohmic heating: Electrical, thermal, and microstructural characterization. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 87, 103417.
Coelho, M. C., Ghalamara, S., Pereira, R., Rodrigues, A. S., Teixeira, J. A., & Pintado, M. E. (2023). Innovation and winemaking by-product valorization: an ohmic heating approach. Processes 11 (2): 495.
Chen, Y., Ye, S., Liu, L., Ren, Y., Li, Q., Zhang, C., & Qian, J. Y. (2023). Influence of ohmic heating on structure, texture and flavor of peanut protein isolate. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 90, 103512.
da Silva, A. M., Scherer, L. G., Daudt, R. M., Spada, J. C., Cardozo, N. S. M., & Marczak, L. D. F. (2019). Effects of starch source and treatment type-conventional and ohmic heating-on stability and rheological properties of gels. Lwt, 109, 7-12.
Gaytán-Martínez, M., Figueroa, J. D. C., Vázquez-Landaverde, P. A., Morales-Sánchez, E., Martínez-Flores, H. E., & Reyes-Vega, M. L. (2012). Caracterización fisicoquímica, funcional y química de harinas nixtamalizadas de maíz obtenidas por calentamiento óhmico y proceso tradicional. CyTA-Journal of Food, 10(3), 182-195.
Flores-García, F. M., Morales-Sánchez, E., Gaytán-Martínez, M., de la Cruz, G. V., & del Carmen Méndez-Montealvo, M. G. (2024). Effect of electric field on physicochemical properties and resistant starch formation in ohmic heating processed corn starch. International Journal of Biological Macromolecules, 266, 131414.
Ramírez-Jiménez, A. K., Cota-López, R., Morales-Sánchez, E., Gaytán-Martínez, M., Martinez-Flores, H. E., Reyes-Vega, M. L., & Figueroa-Cárdenas, J. D. D. (2023). Sustainable process for tortilla production using ohmic heating with minimal impact on the nutritional value, protein, and calcium performance. Foods, 12(18), 3327.
Ríos-Ríos, K. L., Gaytán-Martínez, M., Rivera-Pastrana, D. M., Morales-Sánchez, E., Villamiel, M., Montilla, A., … & Vázquez-Barrios, M. E. (2021). Ohmic heating pretreatment accelerates black garlic processing. LWT, 151, 112218.
Simpson, R., Carevic, E., Grancelli, R., & Moreno, J. (2007). Ohmic Heating Behavior of Foods. Barbosa-Cánovas VG (2006). Pulsed electric fields processing of foods.
