El Procesado Ultrasónico de Productos Lácteos

Procesamiento
El Procesado Ultrasónico
de Productos Lácteos
Muthupandian Ashokkumar1* , Raman Bhaskaracharya1 , Sandra Kentish1 , Judy Lee1 , Martin Palmer2 ,
Bogdan Zisu2 Actualmente en la industria láctea, las mejores
oportunidades para esta tecnología podrían ser
como proceso adjunto en una línea existente o como
para desarrollar una nueva o mejor funcionalidad en
ingredientes lácteos de relativamente bajo volumen
y alto valor.
Resumen
El procesado ultrasónico es una tecnología
emergente en el procesamiento
de alimentos. Cuando el ultrasonido
pasa a través del líquido la presencia de
burbujas en los núcleos del líquido crecen
por la unión de burbujas y la difusión modificada.
Cuando estas burbujas alcanzan un
rango de tamaño crítico, se colapsan bajo
condiciones casi adiabáticas generando
condiciones extremas dentro de las burbujas
y alrededor del líquido que incluye fuerzas
intensas de corte, turbulencia y microcorrientes.
Estos efectos físicos inducidos
por el ultrasonido han encontrado cada vez
mayor aplicación en alimentos y en procesamiento
de lácteos, en aplicaciones como
el mejoramiento de ultrafiltración de suero,
extracción de alimentos funcionales, reducción
de viscosidad del producto, homogenización
de glóbulos de grasa de la leche,
cristalización de hielo y lactosa y el corte de
bloques de queso. Después de una breve
introducción del procesamiento ultrasónico
de sistemas de alimentos en general, esta
revisión presenta una discusión crítica de
las aplicaciones en el procesamiento de
lácteos, junto con resultados de algunas
investigaciones recientes sobre el uso de
ultrasonido para modificar la funcionalidad
de ingredientes de proteínas lácteas.
1 School of Chemistry/Department of Chemical and
Biomolecular Engineering, University of Melbourne,
Australia
2 Dairy Innovation Australia Ltd., 671 Sneydes Road,
Werribee, Australia
Introducción
Además de los métodos tradicionales
como el tratamiento térmico, agitación
mecánica, secado y congelación, una
variedad de nuevas tecnologías están
actualmente disponibles para mejorar la
eficiencia del procesamiento, vida de anaquel,
seguridad y propiedades funcionales
de productos lácteos y otros alimentos
procesados e ingredientes para alimentos.
Entre las diversas “tecnologías emergentes”
como el procesamiento a presión ultra-alta,
campos de pulsos eléctricos, extracción
con fluidos supercríticos, microfluidización
y tratamiento con luz ultravioleta, se ha
identificado al ultrasonido como una tecnología
particularmente prometedora para
el procesamiento de alimentos específicos,
incluyendo los productos lácteos. La mayoría
de los estudios hasta la actualidad se
han realizado en lotes en donde pequeños
volúmenes de las soluciones se sonifican
en recipientes a nivel laboratorio por un
periodo de tiempo definido. Sin embargo,
sistemas ultrasónicos a larga escala con
flujo continuo se han vuelto cada vez más
accesibles en la última década. En estos
sistemas, la solución se bombea continuamente
a través de un recipiente que contenga
un dispositivo de ultrasonidos. La
capacidad de estos sistemas ha facilitado
mover esta tecnología del laboratorio a
un proceso comercial completamente operacional
para el procesado de alimentos
a través de Europa y Estados Unidos. El
procesamiento ultrasónico se establece en
sí como una tecnología de procesamiento
de alimentos con la capacidad de una
operación comercial a gran escala y bien
remunerado sobre el capital invertido.
18 Mundo Lácteo y Cárnico Marzo/Abril 2012 info@mundolacteoycarnico.com
Foto: HACCP Europa
El uso de ultrasonido en el procesamiento
de alimentos y lácteos en general se
ha discutido en varios artículos. Mason et
al., han sugerido que los efectos mecánicos
y químicos generados por la baja frecuencia
de ultrasonido de alta intensidad puede ser
útil para inactivar patógenos en productos
alimenticios y para mejorar el proceso de
extracción y emulisifcación. Villamiel et al.,
igualmente se han enfocado en los efectos
microbiológicos del ultrasonido en sistemas
lácteos pero también describieron aplicaciones
de limpieza. Mawson y Knoerzer han
proporcionado una breve historia sobre las
aplicaciones del ultrasonido en el procesamiento
de alimentos en general, incluyendo
ejemplos de las aplicaciones bien establecidas
como limpieza del equipo de proceso,
junto con nuevas aplicaciones propuestas
como el mejorar la extracción de ingredientes
de alimentos de productos naturales. Knorr
et al., también revisaron las aplicaciones y
potencial del ultrasonido en el procesamiento
de alimentos, enfocándose particularmente
en los usos relacionados con la conservación
de alimentos y parámetros de calidad de los
alimentos. Patist y Bates proporcionaron
un resumen de los factores clave para el
desarrollo de tecnología ultrasónica para su
producción comercial.
Esta revisión primero proporcionará una
breve introducción a la cavitación acústiva y
los principios generales del procesamiento
ultrasónico. Posteriormente se presenta
una informe detallado sobre el uso hasta
la fecha de tecnología ultrasónica en el
procesamiento de lácteos, incluyendo los
resultados de algunas investigaciones
recientes sobre el uso de ultrasonido para

modificar la funcionalidad de ingredientes
de proteína láctea.
Ultrasonido y cavitación acústica
El ultrasonido se refiere a las ondas
de sonido por encima de la frecuencia del
oído humano (~>18kHz). Cuando el ultrasonido
de alta densidad pasa a través de
un medio, surgen vibraciones fuertes en
el medio. Si el medio contiene partículas
sólidas, por ejemplo, los materiales vegetales
como semillas, pueden ocurrir daños
severos estructurales en estas partículas.
Los efectos de vibración mecánica pueden
utilizarse para aplicaciones de limpieza y
extracción. Además del efecto de vibración
mecánica, el ultrasonido también genera
corrientes acústicas dentro de los líquidos,
como se muestra en la Figura 1, lo que
puede aumentar la transferencia de masa
efectiva produciendo una mejor eficiencia
de limpieza y extracción de algunos procesos
industriales.
Figura 1. Patrones de corrientes acústicas
alrededor de una burbuja de 272µm de
radio agitado a 4kHz.
Sin embargo, en la mayoría de los
procesamientos ultrasónicos, los efectos
observados se deben a la cavitación acústica,
que involucra el crecimiento y colapso de
micro burbujas pre-existentes en líquidos,
que si se encuentran en el rango de tamaño
adecuado, empiezan a oscilar de diámetro
cuando se sujeta al ultrasonido. Cuando la
energía acústica aplicada excede el umbral
de cavitación, la oscilación de las burbujas
de gas se vuelve intensa produciendo ya sea
su cavitación transitoria o estable.
En la cavitación transitoria, que se
observa fundamentalmente con bocinas de
ultrasonidos operadas a 20 kHz e intensidades
acústicas altas, ocurre un crecimiento de
burbujas dentro de algunos ciclos acústicos
produciendo un rango de resonancia de
tamaño en donde las burbujas colapsan
rápidamente (ver Figura 2a) . Las burbujas
se desintegran en fragmentos debido a la
naturaleza violenta del colapso. Sin embargo
en una cavitación estable, el crecimiento de
burbujas ocurre después de miles de ciclos
acústicos ya sea por difusión modificada
y/o por patrones de coalescencia de las
burbujas. La cavitación estable se observa
comúnmente a frecuencias altas de ultrasonido
(>200 kHz). Una vez que las burbujas
alcanzan su rango de resonancia de tamaño,
colapsan como burbujas transitorias; sin
embargo, el colapso es menos violento y por
tanto las burbujas pueden crecer y colapsar
continuamente (Fig. 2b).
Los efectos combinados de la vibración
mecánica, corriente acústica y cavitación
pueden mejorar la transferencia de masa y
por tanto reactivar los índices y eficiencias
de extracción. Los efectos físicos no-cavitacionales
(vibración mecánica y corriente
acústica) y efectos de cavitación física (fuerzas
de corte, ondas de choque, microjets,
etc) del ultrasonido se han utilizado para
varias aplicaciones que incluyen la emulsificación,
extracción, limpieza y soldadura. El
colapso de las burbujas de cavitación (tanto
transitoria como estable) también produce la
generación de temperaturas y presiones altas
dentro de las burbujas colapsadas.
Esto se debe al hecho de que el colapso
ocurre en un periodo de tiempo muy corto
(

Procesamiento
Figura 2. Representación esquemática: (a) cavitaciones transitorias
y (b) cavitaciones estables.
ruptura homolítica de las moléculas de agua producen la formación
de radicales OH - y H + . Se generan también otras especies reactivas
por la reacción de radicales primarios con especies gaseosas como
N 2 y O 2 y solutos que están presentes en la solución. Estos efectos
químicos se han utilizado en conjunto con los efectos físicos del
ultrasonido para lograr varias reacciones químicas útiles como la
síntesis de nanomateriales con propiedades ópticas especiales y
la síntesis de microesferas de proteína que pueden usarse como
agentes de contraste el ultrasonido. Sin embargo, la generación de
radicales OH - también puede reducir la capacidad antioxidante del
alimento. La adición de un eliminador de radicales libres como el
ácido ascórbico puede probar ser útil en limitar estas reacciones.
En general, la cavitación a bajas frecuencias (~20kHz) genera
fuerzas físicas fuertes (corte, turbulencia, etc). La cantidad de radicales
reactivos generados es muy baja. Una cavitación acústica de
frecuencia alta (300-500 kHz) genera efectos físicos relativamente
más débiles y cantidades significativamente mayores de radicales
químicamente activos. Las frecuencias por encima de 1 MHz son
generalmente útiles para propósitos de imagen no-destructivos. Sin
embargo, estas frecuencias altas también han demostrados ser más
apropiadas para generar aerosoles finos de una superficie líquida
libre, en un proceso referido como nebulización ultrasónica.
La selección de la frecuencia para aplicaciones específicas se
basa en las necesidades para producir efectos físicos, químicos o
ambos. Por ejemplo, para reacciones de polimerización de emulsiones,
se requieren fuerzas intensas de corte y un número razonable
de radicales primarios. Sin embargo, para aplicaciones como la
extracción y limpieza, se requieren principalmente efectos físicos.
En aplicaciones para alimentos – y procesamiento de lácteos, se
prefiere ultrasonido de baja frecuencia ya que los efectos físicos
son más potentes y la producción de radicales/reacción es insignificante.
Similarmente, es preferible un corto tiempo de exposición al
ultrasonido. Aparte de la eficiencia de la energía por una exposición
corta, Riener et al., mostraron que una sonicación prolongada de la
leche puede generar una serie de compuestos orgánicos volátiles
que podrían ser responsables del aroma a “caucho”. Relacionan
estos compuestos tanto a la pirólisis dentro de la cavitación en
burbujas, como a los radicales libres inducidos por la oxidación lipídica
producida por la descomposición de hidroperóxidos de ácidos
grasos insaturados.
Aplicaciones de Ultrasonido en el Procesamiento de
Lácteos
El ultrasonido ya ha tenido avances en las operaciones comerciales
de procesamiento de lácteos. Probablemente la aplicación
más importante es el uso de ultrasonido en dispositivos de corte.
Estas máquinas utilizan las vibraciones acústica de alta frecuencia
(20-35kHz) para proporcionar un corte liso y limpio para quesos
duros y blandos, minimizando la merma. El ultrasonido se ha
comercializado como un método de sellado de contenedores de
leche y empaques de quesos rallados – en un proceso que también
se conoce como soldadura ultrasónica, la temperatura inducida por
el proceso de cavitación descrito anteriormente es suficiente para
sellar el plástico.
Degasificación ultrasónica, homogenización y formación
de emulsión
La espuma de las soluciones lácteas durante el procesamiento
puede reducir el rendimiento del producto final y acelerar la degradación
oxidativa. Villamiel et al., usaron 20 kHz de ultrasonido pulsado
para degasificar leche descremada reconstituida. Mientras
que las burbujas de gas se pudieron eliminar fácilmente en

el método de ultrasonido era mejor en
términos de operación y limpieza. Un
análisis de las necesidades de energía
sugirió que el ultrasonido podría ser
una mejor opción costo-beneficio que
la opción de microfluidización. Sin
embargo, otras personas sugirieron
que la homogenización ultrasónica
requiere un uso intensivo de energía lo
que conlleva a mayores costos.
Ertugay et al., estudió la homogenización
ultrasónica de leche a 20
kHz y compararon los resultados con
un homogenizador convencional. La
distribución del tamaño de los glóbulos
de grasa después del proceso
convencional de homogenización (a
200 bar y 55°C) fue de aproximadamente
2-5 µm. Sin embargo, como
se puede observar en la Figura 3, el
rango de tamaño de los glóbulos de
las muestras de leche homogenizada
ultrasónicamente fueron mucho más
pequeños. El tamaño promedio y distribución
de tamaños de los glóbulos
de grasas fueron dependientes del
poder ultrasónico y longitud de sonicación.
Se atribuye el pequeño tamaño
observado de glóbulos de grasa a los
efectos físicos generados durante la
cavitación acústica.
Wu et al., también observaron
efectos de homogenización ultrasónica
en glóbulos de grasa de leche. Ellos
observaron que el tiempo de fermentación
de la leche homogenizada
ultrasónicamente para formar yogurt
se redujo significativamente debido a
que la sonicación aumentó la actividad
enzimática. Además, se observó una
reducción de la sinéresis y una mejor
viscosidad del yogurt. Los efectos
posteriores se atribuyeron al aumento
en la retención de agua de la caseína
que estaría disponibles conforme
aumentara el área de la superficie de
la membrana de los glóbulos de grasa.
Bermúdez-Aguirre et al., estudiaron
los cambios en la microestructura
de los glóbulos de grasa de leche
entera posterior a un tratamiento de
termosonicación. La sonicación (24
kHz, 400 W y 30 min) de leche entera
a temperatura alta (63°C) produjo
glóbulos de grasa de < 1 µm con
más sitios de unión en la membrana
Figura 3. Micrográficas de muestras de leche: (a) sin homogenización (tamaño promedio de
glóbulos de grasa ~4-7), (b) homogenización ultrasónica a 90W por 10 min (tamaño promedio
de glóbulos de grasa ~ 2 µm) y (c) homogenización a 450 W por 5 min ( tamaño promedio de
glóbulos de grasa < 1 µm).
de glóbulos de grasa favoreciendo la fusión de
la caseína y proteínas de suero, produciendo un
ingrediente ideal para la elaboración de queso.
Los autores sugirieron que los cambios observados
se debieron a la cavitación ya que el tratamiento
térmico por sí solo no mostró cambios similares
en los glóbulos de grasa. Vercet et al., estudiaron
las propiedades reológicas del yogurt elaborado
con leche sujeta a termosonicación. La textura y
firmeza del yogurt mejoró significativamente por el
procedimiento de termosonicación.
Efectos microbiológicos y enzimáticos
Ha habido un interés considerable en el uso
potencial de ultrasonidos de alto-poder/intensidadalta,
a menudo en conjunto con calentamiento
(termosonicación) y presión (manotermosonicación)
suave para la inactivación de microorganismos
y enzimas asociadas con la descomposición,
seguridad y deterioro de calidad en una
variedad de sistemas de alimentos líquidos.
Vercet et al., encontraron que la manotermosonicación
inactivaba la lipasa y proteasa
extracelular más efectivamente que sólo el
tratamiento térmico. Similarmente, Barbosa-
Cánovas y colaboradores demostraron que
la inactivación de Listeria innocua y bacterias
mesofílicas en leche bronca es más eficiente
cuando la termosonicación se utiliza en lugar
de únicamente la pasteurización térmica.
García et al., usaron una combinación de
calor y ultrasonido para examinar la tasa de
supervivencia de dos cepas de Bacillus subtilis
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Procesamiento
Foto: Health Tips
en leche. Se observó que el uso simultáneo
de calor (70-95°C) y ultrasonido (20 kHz,
150 W) era más efectivo en el proceso de
desactivación comparado con un tratamiento
individual ya sea calentamiento o ultrasonido.
La viabilidad de las esporas disminuyó entre
un 70 y 99 Por ciento después del proceso
de termosonicación. Sin embargo, no se
ha comercializado la aplicación de termosonicación
en lácteos, ya que el tratamiento
de leche con ultrasonidos de alta intensidad
tiende a generar sabores discordantes.
Por el contrario, el uso de niveles más
suaves de ultrasonido podría demostrar ser
efectivo para ayudar al proceso de fermentación
de leche. El uso de ultrasonido de
baja intensidad aumenta la masa transferida
dentro del recipiente de fermentación lo
cual puede incrementar la productividad
enzimática. Sakakibara et al, reportaron
que la sonicación aumenta la hidrólisis de la
lactosa en leche en presencia del cultivo iniciador
Lactobacillus delbrueckii y por tanto el
proceso de fermentación. Sin embargo, esta
aplicación de ultrasonido también desactiva
las células debido al proceso de cavitación
acústica. Musazawa y Ohdaira reportaron
que el uso de sonicación a 20 kHz en leche
reduce el tiempo de fermentación para
producir yogurt. En los primeros trabajos,
Winder y colaboradores adjuntaron directamente
transductores ultrasónicos (1.2 MHz) a
queso cheddar y observaron un aumento en
el tiempo de maduración del queso.
Se dijo que el tratamiento ultrasónico en
queso alteraba la secuencia normal del desarrollo
de bacteria e inducía al desarrollo de
altas poblaciones anormales de streptococos,
micrococos y lactobacilos. Por el contrario,
Villamiel y de Jong reportaron que el ultrasonido
no afectó las propiedades funcionales de
las enzimas nativas de la leche.
Secado por aspersión usando
atomización ultrasónica
Los atomizadores producen una alta proporción
superficie-masa durante el secado
por aspersión de productos lácteos, permitiendo
una transferencia de calor rápida y
altos índices de evaporación. Los dos atomizadores
más comunes utilizados en lácteos
son los centrífugos (rotatorios) y atomizadores
de presión. Sin embargo los atomizadores
ultrasónicos ofrecen una alternativa
viable. En este caso, es importante distinguir
entre boquillas ultrasónicas que produce
un aerosol pasando el líquido alimentado a
través de un cuerno vibratorio y nebulizadores
ultrasónicos que operan a frecuencias
ultrasónicas más altas y generan un tipo de
estructura “como fuente” en una película
líquida delgada. Los tamaños de gota producidos
por el nebulizador ultrasónico son en
orden de magnitud más pequeñas que las
encontradas en una boquilla ultrasónica.
Aunque los secadores por aspersión
ultrasónicos que contienen boquillas están
disponibles para operaciones a gran escala,
los nebulizadores ultrasónicos todavía no se
han desarrollado para uso industrial. Ambos
dispositivos tienen la ventaja técnica sobre
los atomizadores clásicos para secado por
aspersión de que producen aspersión a una
velocidad mucho más baja. Esto significa
que la cámara de aspersión requerida para
el secado puede ser mucho más pequeña.
Aunque estos dispositivos aparentarían
ofrecer un secado por aspersión mucho
más prometedor, no se encontró literatura
disponible que describa este enfoque en lácteos
líquidos.
Conclusión
Los resultados de varias investigaciones
y un menor pero creciente número de aplicaciones
comerciales exitosas sugieren que
el ultrasonido puede considerarse como una
tecnología emergente con un potencial significativo
en muchos aspectos del procesamiento
de lácteos. Se ha sugerido que los
efectos físicos generados bajo condiciones
de cavitación y sin cavitación son la causa
principal de las mejoras de la eficiencia o
modificaciones en las propiedades funcionales
observadas en sistemas lácteos. Cabe
recalcar que varios de estos efectos benéficos
pueden producirse en tiempos cortos y
bajas frecuencias; condiciones que anulan o
minimizan algunos de los efectos perjudiciales
del tratamiento con ultrasonido, como la
generación de sabores discordantes. La preferencia
de tratamientos de baja intensidad
en muchos casos es también prometedor en
términos de minimizar los costos de energía.
Aunque el ultrasonido es un nuevo
campo de labor en la investigación y desarrollo
de productos lácteos, la disponibilidad
a escala industrial – y aún en planta piloto—
de equipo de procesamiento ultrasónico aún
es bastante limitado. Esto puede dificultar
la adopción de esta tecnología a corto
plazo, pero la experiencia con el desarrollo
de tecnología ultrasónica en otras industrias
(por ejemplo, homogenizadores y sistemas
de secado por aspersión) sugieren que esto
podría superarse rápidamente una vez que
las ventajas económicas del uso de ultrasonido
se haya demostrado claramente.
Actualmente en la industria láctea, las mejores
oportunidades para la adopción de esta
tecnología podrían parecer como un proceso
adjunto en una línea de proceso existente o
como una manera de desarrollar una nueva
o mejor funcionalidad en una secuencia de
ingredientes lácteos de relativamente bajo
volumen y alto valor.
Fuente de la que se extrajo el material:
Muthupandian Ashokkumar, Raman
Bhaskaracharya, Sandra Kentish, Judy Lee, Martin
Palmer, Bogdan Zisu. The ultrasonic processing of
dairy products – An overview. Dairy Sci. Technol.
90 (2010) 147–168 © INRA, EDP Sciences, 2009
Traducción: I.A. Violeta Morales V.
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