Procesado por láser de CO2: una tecnología para mejorar la seguridad alimentaria

Posted: 29 December 2022 | Eduardo Puértolas, Izaskun Pérez, Xabier Murgui | No comments yet

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La innovación tecnológica en el procesado es uno de los pilares fundamentales sobre los que gira la mejora de la eficiencia y rentabilidad de la industria alimentaria. Entre las tecnologías estudiadas en los últimos años, el láser de CO2 tiene una notable capacidad para transformar la producción de alimentos del futuro.

La precisión temporal y espacial de los láseres hace posible concentrar la energía del láser en un punto diminuto y seguir patrones complejos, sin impactar demasiado en los alimentos cercanos.

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Esto es particularmente de interés en varios procesos mecánicos y térmicos. Por ejemplo, se ha propuesto inactivar microorganismos en superficies en contacto con alimentos. También se puede utilizar para corte sin contacto, evitando los problemas de contaminación cruzada física, química y microbiológica de otros sistemas como cuchillas o chorro de agua; o para marcar alimentos, reemplazando etiquetas y tintas de papel/plástico.

Un láser (acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) consiste en un sistema de suministro de energía que energiza las moléculas de un medio de ganancia a un estado excitado, produciendo luz.

Esta luz se amplifica en una cavidad óptica restringida por dos espejos, uno de cada uno parcialmente transparente que deja pasar un rayo láser coherente y direccional, que puede enfocarse en el material objetivo con precisión temporal y espacial mediante un sistema de lentes controlado por un software.

Los láseres de dióxido de carbono (CO2) recibieron su nombre porque usan CO2 como el componente principal del medio de ganancia, emitiendo un rayo láser en longitudes de onda del infrarrojo medio (típicamente 10,600 nm).

Las longitudes de onda infrarrojas se transmiten casi sin pérdida en la atmósfera. Además, pueden ser absorbidos eficazmente por el agua, que es el principal componente de los alimentos. Por lo tanto, es probable que ambas sean las principales razones del interés que los láseres de CO2 han recibido en el procesamiento de alimentos.

Al modular la energía radiante del rayo láser de CO2, se producen progresivamente efectos fotoquímicos, térmicos y mecánicos en los alimentos.1 Si la energía del láser de CO2 es baja, el láser solo perturba los enlaces entre átomos y entre moléculas. A mayor energía radiante, la energía del rayo láser se convierte en energía térmica, calentando la superficie del alimento (una profundidad de unos pocos milímetros) de manera precisa y controlada.

Al aumentar aún más la energía radiante, se pueden producir efectos mecánicos directos en la superficie del alimento, eventualmente formando un cráter basado en fenómenos de vaporización y ablación.1

El proceso de ablación puede repetirse en las capas inferiores del alimento, permitiéndole profundizar en él, o/y continuar en las zonas adyacentes siguiendo un patrón específico. En base a estos efectos, el láser de CO2 se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones alimentarias, incluida la descontaminación microbiana, la cocción, el marcado y el corte.

El láser de CO2 es una tecnología sin contacto y relativamente rápida para inactivar microorganismos en la superficie de diferentes sustratos y es una alternativa a los sistemas tradicionales de limpieza y desinfección de superficies, como el uso de productos químicos, solución cada vez más cuestionada debido a posibles residuos tóxicos.

Para las superficies en contacto con los alimentos (por ejemplo, cortadores, cintas transportadoras), el calentamiento no es un problema importante y la precisión del láser y la velocidad de procesamiento pueden desempeñar un papel importante. Por ejemplo, se ha notificado la inactivación total de Escherichia coli y Staphylococcus aureus en superficies de acero inoxidable después de tratamientos con láser de CO2 (660 W; 0,8-1,3 cm/s).2 Además de la inactivación microbiana, los efectos mecánicos del láser de CO2 también pueden ayudan a eliminar la materia orgánica difícil de limpiar y las biopelículas de este tipo de superficies.

Los láseres de CO2 también son capaces de inactivar los microorganismos presentes en las superficies de los alimentos.3 Sin embargo, en este caso, los tratamientos deben estar muy bien optimizados para minimizar el impacto en las características de su superficie, evitando efectos mecánicos y minimizando los efectos térmicos.

A pesar de la optimización, normalmente se detectan cambios en la superficie, como alteraciones del color. El uso de flavonoides, riboflavina u otros antioxidantes podría reducir o incluso evitar estos efectos adversos.4

El láser de CO2 se puede utilizar como alternativa a las tecnologías térmicas convencionales para cocinar, asar a la parrilla y dorar, aprovechando la alta energía del haz de luz.4-5

Sin embargo, en este caso se deben evitar los procesos de carbonización y ablación (efectos térmicos y mecánicos, respectivamente) asociados a tratamientos de alta intensidad energética.

En productos alimenticios cocinados con láser de CO2 se observan reducciones microbianas en Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg y Escherichia coli O157:H7, similares a las obtenidas con métodos de cocción comunes, como horno de infrarrojos, barbacoa eléctrica o parrilla plana eléctrica.3 Si el tratamiento con CO2 se ajusta para reducir la carbonización, los alimentos cocinados con láser también presentan una cantidad similar de hidrocarburos aromáticos policíclicos que los alimentos cocinados convencionalmente.3

La precisión del láser de CO2 permite cocinar solo una de las partes del alimento (por ejemplo, solo la parte grasa de un trozo de tocino), o incluso cada parte del alimento en sus condiciones óptimas (temperatura, tiempo), cambiando en el volar la energía del tratamiento y el tiempo de exposición.5 En este contexto, el láser de CO2 ha recibido especial atención en la impresión 3D de alimentos, donde se necesita una entrega de calor precisa para cocinar alimentos preimpresos.5

Los autores señalan que la precisión del láser de CO2 significa que solo se puede cocinar una de las partes de los alimentos, como la parte grasa de un trozo de tocino.

La energía del láser solo penetra unos pocos milímetros en los alimentos, por lo que se ha propuesto para cocinar alimentos finos o para tratamientos superficiales como asar a la parrilla o dorar. Para muchos productos, se ha propuesto el uso combinado con otras tecnologías, como las microondas, utilizando láseres para el acabado de superficies (por ejemplo, marcas de grill)3.

El uso de láser para el marcado de frutas y hortalizas está autorizado e implantado en la industria en varios países europeos. Se han probado en una gran cantidad de alimentos, incluidas frutas, verduras, huevos, carne, queso, chocolate y cereales (Figura 1).

Figura 1: Marcado de un código QR por láser de CO2 en queso (ejemplo de procesado por láser).

Su interés radica en que no requiere etiquetas de plástico/papel ni adhesivos y que está fabricado para evitar cualquier contacto. Desde un punto de vista general, los láseres de CO2 se pueden utilizar para el marcado en función de sus efectos mecánicos (grabado) o térmicos (reacción de Maillard).

En ambos casos, es posible operar el láser siguiendo casi cualquier patrón, por lo que es posible marcar números (p. ej., fecha de caducidad, número de lote), letras (p. ej., lugar de origen, nombre de la empresa), códigos (p. ej., código de barras, QR) o dibujos o diseños intrincados (por ejemplo, etiqueta de calidad, logotipo de la empresa).6

Apoyándose en el fenómeno de la ablación, el láser de CO2 se puede utilizar como tecnología sin contacto para el corte y pelado o para otros procedimientos mecánicos como la perforación que se pueden utilizar en algunas operaciones como el marinado o la extracción de compuestos.1,4

El láser de CO2 presenta varias ventajas sobre las técnicas convencionales que involucran cuchillas, cuchillos, agujas o dispositivos similares.

En primer lugar, el área procesada se descontamina parcialmente debido a la acción del rayo láser (inactivación microbiana), una ventaja clave para la seguridad alimentaria en comparación con el corte por cuchilla o por chorro de agua.

También es posible procesar alimentos según patrones complejos que son difíciles o incluso imposibles de lograr con técnicas convencionales.

Finalmente, se puede realizar un cambio de patrón sobre la marcha y no es necesario detener la línea para limpiar el elemento de corte mecánico. En las tecnologías convencionales, el proceso de limpieza o cualquier cambio en la configuración de corte implica parar la línea para limpiar, cambiar, sustituir o mover los elementos de corte.

Las limitaciones más importantes del uso del láser de CO2 para este tipo de procesos mecánicos son el calor generado y la profundidad de corte relativamente baja.

La selección efectiva de los parámetros de procesamiento láser es clave para evitar quemar los bordes cortados de los alimentos y para un rendimiento adecuado. Para una profundidad de más de unos pocos milímetros, se necesitan varios ciclos de procesamiento láser para permitir suficiente tiempo para que la zona se enfríe. Otras estrategias se basan en el enfriamiento directo de la zona tratada con láser mediante agua o vapor.

El láser de CO2 es una tecnología de procesamiento sin contacto con un gran potencial para reducir los problemas de contaminación cruzada en la industria alimentaria.

Podría usarse en alimentos para una amplia variedad de aplicaciones, como cocinar/a la parrilla, marcar, cortar y pelar o para inactivar microorganismos presentes en superficies en contacto con alimentos.

Según el conocimiento de los autores, la única aplicación láser totalmente industrializada y extendida en el mercado alimentario, para la acción directa sobre los alimentos, es el marcado láser de frutas y verduras.

Sin embargo, los resultados obtenidos en las otras aplicaciones son prometedores, se necesita un mayor esfuerzo para llevarlos al mercado. Hoy en día existen sistemas láser de CO2 con la potencia y características necesarias para industrializar la mayoría de las aplicaciones descritas en este artículo.

Por tanto, no se esperan grandes problemas de escalamiento y es previsible que su uso industrial comience a extenderse en los próximos años. Dado que los láseres de CO2 se utilizan en otros sectores industriales, su costo ha disminuido significativamente en las últimas dos décadas.

En este sentido, el abaratamiento de costes sin duda facilitará su implantación en la industria alimentaria, donde los márgenes son menores que en otros sectores productivos.

Eduardo Puértolas (ORCID: 0000-0001-7489-4674) es investigadora doctoral en la División de Investigación Alimentaria de AZTI – Alianza Vasca de Investigación y Tecnología (BRTA). Su principal área de investigación es el estudio y la aplicación de tecnologías de procesamiento emergentes (por ejemplo, láser, homogeneización a alta presión, alta presión hidrostática) para el diseño de nuevos alimentos, la conservación de alimentos, la mejora de la calidad de los alimentos y la optimización de procesos. Correo electrónico: [correo electrónico protegido]

Izaskun Pérez es ingeniera agrónoma e investigadora en AZTI- Basque Research and Technology Alliance (BRTA), donde participa en proyectos de investigación sobre tecnologías emergentes para el desarrollo y validación de nuevas aplicaciones. En los últimos años ha participado en el desarrollo e implantación de dos nuevas líneas de producción en empresas (productos actualmente en el mercado). Correo electrónico: [correo electrónico protegido]

Xavier Murgui , ingeniero agrónomo y Máster en Tecnología y Calidad en Industrias Agroalimentarias, actualmente es investigador en AZTI- Alianza Vasca de Investigación y Tecnología (BRTA). Profesional de la industria alimentaria con más de 14 años de experiencia, está especializado en el desarrollo de nuevos productos, escalado e industrialización de prototipos. Correo electrónico: [correo electrónico protegido]

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