26/09/2011

El campo magnético aplicado a la industria alimentaria

Autor: Matilde Anaya Villalpanda, Tania María Guzmán Armenteros, Carlo Manuel Acea Fiallo

Resumen
Este trabajo tuvo el objetivo de obtener información actualizada sobre las posibilidades de empleo del campo magnético en la industria alimentaria a partir del análisis de numerosas patentes y estudios de investigaciones. Se mencionan teorías para explicar su efecto sobre sistemas biológicos y no biológicos, con ejemplos que demuestran el valor “ventana”. Se concluye que este tratamiento puede ser utilizado en la preservación de los alimentos, mejorar su calidad sensorial y propiedades reológicas y estimular procesos fermentativos. Además, es necesario profundizar en la genotoxicidad manifestada en algunos sistemas biológicos tratados con campo magnético.

Introducción
La tendencia actual es el consumo de alimentos frescos o mínimamente procesados, ya que los tratamientos térmicos afectan su calidad nutricional. Surgen entonces los llamados tratamiento no térmicos, hoy tecnologías emergentes, ante la necesidad de implantar procesos de conservación alternativos y menos agresivos para el medio ambiente. Entre los tratamientos no térmicos se pueden citar todos los métodos que no utilizan calor como fuente de energía para eliminar los microorganismos indeseados. Por ejemplo, irradiación, ultrasonido, pulsos de campo eléctrico de alto voltaje, campos magnéticos, pulsos de luz, altas presiones hidrostáticas, etc.(1).

De todos los métodos mencionados, sólo el campo magnético puede aplicarse en la estimulación de microorganismos de interés y en la variación de algunas propiedades físico-químicas como son densidad y viscosidad. De esta forma puede obtenerse una calidad superior y mejorar algunas características tecnológicas como la clarificación. Esto permite aumentar rendimientos y disminuir costos de producción, sin grandes variaciones en las líneas tecnológicas(1-3).

El empleo del campo magnético sobre los seres vivos se fundamenta en que el efecto del campo geomagnético (25-70 ?T) provoca gran biodiversidad en nuestro planeta. En tal sentido, las investigaciones están encaminadas a observar su comportamiento bajo el efecto de un campo magnético externo provocado por el hombre, en condiciones bien controladas. Es de esperarse entonces que dicho comportamiento sea diferente, aunque está sin entenderse todavía(3). Para comprender mejor los resultados obtenidos hasta el momento, puede tomarse como referencia el efecto conocido de la temperatura sobre los microorganismos. Se acepta que a mayor temperatura, mayor efecto inhibitorio (aun cuando existen algunos termorresistentes) y se conoce además la temperatura óptima de crecimiento de la mayoría de los microorganismos.

De igual forma, los científicos procuran obtener valores óptimos para un tratamiento magnético más efectivo. Investigaciones futuras permitirán evacuar dudas, aunar criterios y descifrar incógnitas con respecto a sus probados efectos(1,2).

Campos magnéticos. Modo de obtención y de aplicación.
Para las investigaciones, el campo magnético es obtenido a partir de corriente eléctrica que pasa a través de una bobina, o sea, campo electromagnético (CEM) (Fig. 1 a y b). Según la frecuencia de las oscilaciones de la corriente por segundo (Hz = s-1), se clasifica en campo magnético estático (CME) y oscilante (CMO), que a su vez se califica como CMO de baja o de alta frecuencia(4).

Fig. 1 - Esquema representativo del sistema de tratamiento magnético (Adaptado de bibliografía consultada)

a) Para flujo del medio a tratar (la tubería puede ser de cualquier material)

Fig. 1 - b) Para el medio a tratar estático (se plantea que debe estar en el centro de la bobina)

El CEM en general se mide en términos de intensidad magnética (B). Para CME los valores de B son constantes en el tiempo, mientras que el CMO es de amplitud constante o de ondas sinusoidales de amplitud que decae(1). En la Tabla 1 se muestran los términos más comunes y las unidades utilizadas de los CEM.

También los CEM pueden clasificarse en homogéneos o heterogéneos. Es homogéneo si B es uniforme en el área de la bobina y es heterogéneo si B no es uniforme, con intensidades decrecientes, ya que las distancias del centro de la bobina aumentan. Un campo magnético heterogéneo ejerce una fuerza de aceleración en las partículas, mientras que un campo homogéneo no ejerce ninguna fuerza de aceleración(1;4).

Los científicos e ingenieros sostienen que los CEM de baja intensidad (causados por líneas de alta tensión, transformadores, centrales eléctricas, etc.) no pueden producir cambios biológicos significativos, porque las radiaciones no son capaces de romper los enlaces moleculares y por ello, sólo generan un peque?o aumento de calor(5). Las investigaciones realizadas en EE.UU., Canadá e Inglaterra demuestran que la exposición al CEM no es peligrosa, ya que debe tenerse en cuenta el valor de tensión o voltaje de la corriente y la distancia de exposición(5). Por tanto el CEM puede ser aplicado como tecnología de forma segura, puesto que a una corta distancia de la bobina la intensidad decae drásticamente. Los equipos colocados a una distancia razonable de la bobina están fuera de peligro y el proceso puede ser operado sin ningún riesgo(6).

No obstante, todavía existen dudas sobre el consumo de productos tratados magnéticamente. Artículos publicados en EE.UU. y otras partes del mundo aconsejan beber cerveza, agua, leche, vino, jugos u otros líquidos magnetizados para mejorar la salud. Se plantea que el efecto magnético perdura en los líquidos y hace que las moléculas de hidrógeno y oxígeno en el agua se alineen con otros compuestos de la sangre, como el hierro(7,8).

Tecnologías
Producir 5-50 T requiere un gran consumo de energía eléctrica y necesita enfriamiento con helio líquido. Este problema quedó superado con la técnica de campos magnéticos pulsados, con los que se alcanza hasta 100 T de forma económica y fiable. Para esto, la energía se almacena en un banco de capacitores y se descarga en tiempo de μs hasta 100 ms. La reducción del tiempo amplifica la potencia y el campo magnético, lo cual evidencia la mayor inhibición con CMO(1;6).

Sin embargo, los tratamientos con CMO aplicados satisfactoriamente además de altas densidades requieren de varios pases por las tuberías, por lo que resultan poco económicos. Esto se evita tratando el producto estático, pero impide su uso en fluidos(9). Los CMO de baja frecuencia aplicados en cortos tiempos facilitan el escalado de los resultados obtenidos: a menor frecuencia mayor “semejanza” con el CME, y a menor tiempo de exposición mejor aplicación en flujos moderados. De ahí la tendencia de las nuevas investigaciones con el CME.

Uno de los factores que incide en la aplicación del CEM es el desarrollo de tecnologías para su uso a nivel industrial, fundamentalmente el CMO. Los pocos equipos que existen actualmente en el mercado tienen un costo entre 40.000 y 500.000 USD(10). Sin embargo, se afirma que los CEM “se pagarán por sí solos”, al calcular la electricidad necesaria (CMO) o el costo de los imanes (CME)(11).

No obstante, los alimentos no deben tener una carga microbiana inicial muy alta, ya que el tratamiento sólo disminuye hasta 3 ciclos log. Además necesitan tener poco espesor, alta resistividad eléctrica (mayor que 10 - 25 ohms-cm) y envasarse en materiales no conductores de electricidad. Para el caso del tratamiento sobre un medio que fluye, el flujo debe ser lento o moderado y la tubería de cualquier material(1-4).

Mecanismos que explican los efectos del campo magnético
Existen varias teorías para explicar cómo el campo magnético ejerce su efecto sobre los sistemas biológicos y no biológicos. El mecanismo del ión ciclotrón plantea que cualquier ión que entra en un campo magnético a una determinada velocidad, experimenta una fuerza que depende de esa velocidad y de la intensidad del campo. Esa fuerza también determina la trayectoria del ión (girofrecuencia), ya sea circular o espiral, que a su vez depende de la carga y la masa del ión. Según esta teoría, la resonancia del ciclotrón se produce cuando la girofrecuencia del ión se iguala a la girofrecuencia del CEM, y la energía se transfiere selectivamente desde el campo hacia los iones. En este sentido, se ha demostrado que a 50 ?T, las frecuencias resonantes de Na y de Ca2 son 33,3 y 38,7 Hz, respectivamente(1,2).

El mecanismo del ión paramétrico sugiere que durante la exposición a los CEM en la frecuencia de resonancia iónica, la interacción de un ión con el ambiente bimolecular puede variar. Este cambio es medible y predecible en un intervalo de intensidad del CEM. Este mecanismo está basado en que los cambios en las interacciones de iones específicos con matrices biológicas (por ejemplo, proteínas) conducen a cambios consistentes y observables a nivel celular(1-4).

El efecto del CEM sobre las partículas dispersas se explica por un mecanismo que supone que éste favorece la atracción entre las partículas cargadas y neutras de mayor tama?o, formando flóculos o coágulos que precipitan en la medida en que se unen y aumentan de tama?o. En la coagulación magnética interviene la fuerza de Lorentz que actúa incrementándose linealmente con la carga iónica, la velocidad de la partícula, la intensidad del campo y la perpendicularidad de los iones que cruzan las líneas del CEM. También se relaciona desde el punto de vista teórico, con la ley de Stokes, ya que se ha visto que la velocidad de flotación tiene una gran influencia en la forma de los elementos que deben flotar, siendo la esférica la más favorable porque el factor que define este aspecto, tiende a acercarse a la unidad(12).

Es importante destacar que se informó sobre la microfilmación del proceso de floculación magnética. En la muestra control se observaron flóculos de mayor tama?o e irregularidad y menor concentración por unidad de área, mientras que en la tratada se formó mayor cantidad aunque de menor tama?o. Los resultados aportados infieren una formación de elementos esféricos, aspecto muy beneficioso para la clarificación por fosfoflotación(12).

Efectos de los campos magnéticos en los sistemas biológicos
Esta interpretación es difícil debido a la dinámica no lineal (multipicos) característica de este tratamiento. Está demostrado experimentalmente que en los cambios provocados influyen la intensidad y las características espaciales y temporales de dicho campo. El CME solo produce rotación de los dipolos magnéticos, orientándolos en la dirección del campo y restringiendo su movilidad, lo cual ocasiona un efecto significativo si los dipolos participan en reacciones químicas. El CMO induce movimientos en los dipolos magnéticos moleculares, afectando la velocidad de las reacciones químicas dependiendo de la amplitud, frecuencia y sentido de las oscilaciones(13,14).

Efecto sobre los microorganismos
Son variables los resultados obtenidos en el crecimiento microbiano por el efecto del CEM: estimulación, inhibición o sin efecto (Tabla 2). Se cree que su efecto depende de varios factores: intensidad y frecuencia del CEM, número de pulsos, característica del alimento (resistividad, conductividad eléctrica y espesor del alimento), condiciones de cultivo y factores intrínsecos del microorganismo en cuestión. Por tanto, debe analizarse la influencia de cada uno y sus posibles interacciones, lo que hace muy difícil establecer un mecanismo o teoría que los unifique. Sin embargo, se especula que en el futuro pudiera establecerse un valor específico del CEM para cada género y especie de microorganismo, dependiendo del medio y las condiciones cultivo(13).

Los efectos del CEM han sido más estudiados en S. cerevisiae y E. coli entre levaduras y bacterias, respectivamente. Los menos estudiados son los hongos en general, no obstante, se conocen los modelos predictivos de estimulación de los hongos Aspegillus nidulans y Trichoderma viride bajo el efecto de CMO de 50 Hz y 100 – 600 Gauss(13;18). En la Tabla 2 se aprecia que las densidades que estimulan el crecimiento en levaduras no difieren mucho de las encontradas en bacterias. Sin embargo para efectos inhibitorios estas diferencias se acrecientan, siendo mucho mayor las requeridas para levaduras que para bacterias y esporas de hongos.

Es un error creer que un CEM es más inhibitorio cuanto mayor es su frecuencia e intensidad y tiempo de exposición, tal como sucede con el tratamiento térmico. Por ejemplo, sobre S. cerevisiae los efectos del CEM varían en todo su espectro (Tabla 2). Este fenómeno sugiere la existencia del valor de frecuencia o densidad “ventana” que debe ser encontrado según el interés deseado(17). Todo lo antes expuesto evidencia que no existe una relación directa entre los parámetros característicos del CEM y su efecto, y que pueden encontrarse microorganismos “magnetorresistentes”.

Por otra parte, se plantea que el CEM puede provocar efectos genotóxicos (cambios del DNA) que conllevan a mutaciones celulares(15;20;21). Investigaciones recientes destacan que sólo densidades superiores a los 5 T provocan cambios sustanciales en el DNA(9;15). No obstante, deberán realizarse más investigaciones que permitan aclarar la genotoxicidad del CEM, ya que este aspecto puede ser beneficioso o perjudicial según el interés en cuestión.

Aplicación del campo magnético en la industria alimentaria
Biotecnologías. En el mundo se emplean electromagnetizadores exteriores acoplados a bioreactores que trabajan con enzimas inmovilizadas. Un ejemplo es la inmovilización de la glucoamilasa del Aspergillus niger en partículas magnéticas de poliestireno, para producir la hidrólisis de la maltosa. Este sistema mantiene la actividad de la enzima durante varios ciclos repetidos(22). Otros sistemas inmovilizan S. cerevisiae para mejorar la producción de etanol a partir de glucosa, entre otros usos(23,24).

Industria azucarera. Se han introducido sistemas que permiten mejorar la calidad del azúcar cruda y refinada cuando se trata el jugo filtrado de la saturación primaria por un CEM de 140-150 kA/m por 30-40 min. Este sistema mejora la calidad del jugo purificado cuando es tratado en un CEM de 120-140 kA/m y después se burbujea con aire a 1,3-1,5 m3/m3(25,26). Otros equipos del CEM son acoplados a evaporadores y sistemas de intercambio de calor para reducir las incrustaciones de las tuberías y disminuir el consumo energético(27-29).

Industria panadera. Pueden emplearse equipos de tratamiento de agua para mejorar la cantidad y calidad del gluten crudo, la acidez final y el poder de levantamiento de la masa. Se plantea que el agua tratada magnéticamente (ATM) activa a las levaduras acelerando la fermentación, aumenta el contenido de compuestos aromáticos en la miga, reduce un 20-25% del tiempo de levantamiento y mejora en 62% la habilidad de formación de gas. Se comprobó que el uso del CEM permite controlar la actividad de las enzimas que actúan en la harina (alfa-amilasa, proteasa, lipasa, catalasa) usando ATM con campos de 0,8-1,2 T y 50 Hz(30, 31).

Industria de bebidas. Se recomienda el empleo de ATM para aumentar la estabilidad de las bebidas carbonatadas durante el almacenamiento. La patente describe que el agua se somete a un CEM de 170-180 kA/m a velocidad del flujo de 1,0-1,5 m/s. Se filtra, se enfría a 3-4?C y es sometida de nuevo al mismo campo electromagnético(32). Sistemas similares mejoran la calidad de la cerveza, vinos, vinagres, jugos de frutas y té. En todos los casos se apreció mejoría en la disolución de constituyentes, eliminación de impurezas y sabores desagradables, aumento del contenido de minerales y aceleración del a?ejamiento en bebidas alcohólicas(7; 32-36).

Aplicando CMO de 100 kHz y 250 mG sobre melaza de ca?a y un cultivo de S. cerevisiae se obtuvo 14,4% más de alcohol respecto al control(9). Un resultado similar se logró en investigaciones conjuntas Cuba-Brasil en el cual se estimuló una cepa de S. cerevisiae con CEM y aumentó 9-17% la producción de etanol a partir de jugo y melaza de ca?a de azúcar, con reducción del tiempo de fermentación de 15 a 12 días(11;37).

También en Cuba se estudió el CMO de 60 Hz y 500 G por 30 min para la estimulación de levaduras cerveceras (Saccharomyces uvarum Budvar, S. uvarum 48.1 y S. cerevisiae F-26), en mosto todo malta suplementado con sacarosa hasta 23,8?Bx. Para la cepa Budvar se obtuvo hasta 12,21% de alcohol y 93,2% de eficiencia fermentativa con respecto al control, durante 15 días de fermentación(38). En otra investigación se aplicó CME de 1000-1200 Gauss a un flujo constante de cerveza (15 y 17 L/h) de diferentes etapas del proceso, y se mejoró la calidad sanitaria y la clarificación, sin que se detectaran cambios físico-químicos ni sensoriales en las muestras analizadas(39,40).

Industria pesquera. Se aplicó para extraer los aceites esenciales del pescado, particularmente sardina. Según descripción de la patente, el sistema es un método combinado de CEM y posterior cocción con UHP. El pescado es sometido a tratamiento con CEM de 4-6 kA/m, seguido por calentamiento con aire a 35-40?C y 4-6 kA/m a un flujo de aire caliente a 30-35?C para destruir la membrana superficial. El aceite resultante es rico en ácido araquidónico y se puede usar en la preparación de alimentos funcionales. Con este sistema se aumenta la productividad de aceite y se mantienen las propiedades físico-químicas y organolépticas del pescado y del aceite(41,42).

Industria láctea. El uso del electromagnetismo en la industria láctea se inició en la antigua URSS, en los a?os ‘70. Algunos sistemas pueden emplearse para obtener leches fermentadas de mejor calidad, ya que aumentan la viscosidad de la leche y disminuyen su tensión superficial. Actualmente existen investigaciones para mejorar la homogeneidad de la leche y prevenir pérdidas de proteínas por control de la acidez y de los microorganismos presentes, aplicando 1200-1800 Gauss(43,44). También se demostró el efecto estimulatorio de los CEM en bacterias ácido-lácticas (Lactococcus lactis subsp. Lactis) y su posibilidad de utilización para potenciar su efecto bioconservante en quesos por estimulación de producción de bacteriocinas(45).

Industria de aceites y grasas. Existen varios métodos patentados para lograr altos rendimientos en extracción de aceite de semillas de girasol, soja y algodón, al aplicar 0,45-0,70 T a un flujo de 1,0-2,5 m/s, por 15-40 min, a 20-25?C. Estos sistemas mejoran las propiedades físico-químicas y organolépticas, aumentan el valor nutricional y la frescura del producto final(46,47). Otra aplicación es en el proceso de obtención de mayonesa dietética, donde se puede emplear el CEM de 0,3-0,50 T, flujo de 1,5-3,0 m/s, por 20-35 min, a 22-28?C. Así se aumenta la estabilidad de la emulsión, se mejoran sus características físico-químicas, organolépticas y su durabilidad. También se emplea este CEM para obtener margarina dietética de bajas calorías con propiedades biológicas y fisiológicas altas. Este alimento funcional provocó en los consumidores gran reducción de lípidos y colesterol en el hígado, y aumentó el volumen de fosfolípidos(48-51).

Industria confitera y aromas. Los CEM de 0, 4-0,6 T y 50 Hz también podrían emplearse en mejorar la calidad de masas de rellenos de chocolates, ya que aumentan la dispersión y proporcionan viscosidad óptima(52). Está descrito un sistema de extracción de aromas y pigmentos con CEM de 2400 y 50 MHz usando extracción alcalina (pH 8–8,3) a contracorriente por dos horas en agua caliente (80-85?C) y alcohol, en tres fases consecutivas. El CEM de alta frecuencia facilitó la extracción y mejoró las propiedades de los aromas y su durabilidad(53).

Inactivación de microorganismos en alimentos. Actualmente existen diferentes sistemas para la inactivación de microorganismos, que utilizan CMO y envases de materiales no conductores de electricidad(54-56). El proceso puede realizarse sometiendo el producto contenido en el envase a 1 pulso de CMO de 2-100 T y 5-500 kHz. Este proceso disminuye drásticamente la población microbiana, pudiendo obtenerse una esterilidad total sometiendo al material a pulsos adicionales. Se plantea que este tratamiento con CMO ofrece gran una ventaja en alimentos empaquetados con envases flexibles, aunque se requiere más estudios para lograr la uniformidad de la inactivación microbiana(57).

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