Procesamiento con 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 procesamiento 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 permite concentrar la energía del láser en un punto pequeño y seguir patrones complejos, sin impactar demasiado el material alimenticio cercano.

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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 mediante emisión estimulada de radiación) consiste en un sistema de suministro de energía que energiza las moléculas de un medio de ganancia hasta 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 utilizan CO2 como componente principal del medio de ganancia, emitiendo un rayo láser en longitudes de onda del infrarrojo medio (normalmente 10.600 nm).

Las longitudes de onda infrarrojas se transmiten casi sin pérdidas en la atmósfera. Además, pueden ser absorbidos eficazmente por el agua, que es el componente principal de los alimentos. Por lo tanto, es probable que ambas sean las principales razones del interés que han despertado los láseres de CO2 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 sólo altera 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 forma precisa y controlada.

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

El proceso de ablación se puede repetir en las capas inferiores del alimento, permitiendo 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 de alimentos, 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 supone una alternativa a los sistemas tradicionales de limpieza y desinfección de superficies, como el uso de productos químicos, una solución cada vez más cuestionada por posibles residuos tóxicos.

Para las superficies en contacto con 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 informado de 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 y los biofilms difíciles de limpiar de este tipo de superficies.

Los láseres de CO2 también son capaces de inactivar 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 sus superficies, evitando efectos mecánicos y minimizando los efectos térmicos.

A pesar de la optimización, normalmente se detectan cambios en la superficie, como por ejemplo cambios de 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 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 los productos alimenticios cocinados con láser de CO2 se observan reducciones microbianas de Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg y Escherichia coli O157:H7, similares a las obtenidas con métodos de cocción habituales, como el horno de infrarrojos, la barbacoa eléctrica o la parrilla plana eléctrica.3 Si se trata de un 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 sólo una de las partes del alimento (p. ej. sólo la parte grasa de un trozo de tocino), o incluso cada parte del alimento en sus condiciones óptimas (temperatura, tiempo), cambiando en función del tiempo. Vuelan 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 precisa de calor para cocinar alimentos preimpresos.5

Los autores señalan que la precisión del láser de CO2 significa que sólo se puede cocinar una de las partes del alimento, como por ejemplo la porción grasa de un trozo de tocino.

La energía del láser sólo 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 parrilla).3

El uso del 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, incluidos frutas, verduras, huevos, carne, queso, chocolate y productos de cereales (Figura 1).

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

Su interés radica en que no requiere etiquetas ni adhesivos de plástico/papel y que está fabricado para evitar cualquier contacto. Desde un punto de vista general, los láseres de CO2 se pueden utilizar para marcar 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 (por ejemplo, fecha de caducidad, número de lote), letras (por ejemplo, lugar de origen, nombre de la empresa), códigos (por ejemplo, código de barras, QR) o dibujos o diseños complejos (por ejemplo, etiqueta de calidad, logotipo de la empresa).6

Apoyándose en el fenómeno de ablación, el láser de CO2 puede utilizarse como tecnología sin contacto para corte y pelado o para otros procedimientos mecánicos como la perforación que pueden utilizarse 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 utilizan cuchillas, cuchillos, agujas o dispositivos similares.

En primer lugar, la zona 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 con cuchilla o 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 mecánico de corte. En las tecnologías convencionales, el proceso de limpieza o cualquier cambio en la configuración de corte implica detener la línea para limpiar, cambiar, reemplazar 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 pequeña.

La selección eficaz 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 dar tiempo suficiente para que la zona se enfríe. Otras estrategias se basan en el enfriamiento directo de la zona tratada con láser mediante el uso de 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/asar a la parrilla, marcar, cortar y pelar o para inactivar microorganismos presentes en superficies en contacto con alimentos.

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

Sin embargo, los resultados obtenidos en el resto de aplicaciones son prometedores y es necesario realizar más esfuerzos para llevarlas 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 escala 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 coste ha disminuido significativamente en las últimas dos décadas.

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

Eduardo Puértolas (ORCID: 0000-0001-7489-4674) es investigador doctoral en la División de Investigación en Alimentación de AZTI – Basque Research and Technology Alliance (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 nuevos diseños de alimentos, conservación de alimentos, mejora de la calidad de los alimentos y optimización de procesos. Correo electrónico: [correo electrónico protegido]

Izaskun Pérez Es ingeniera agrónoma e investigadora en AZTI-Alianza Vasca para la Investigación y la Tecnología (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 implementación de dos nuevas líneas de producción en empresas (productos actualmente en el mercado). Correo electrónico: [correo electrónico protegido]

Xabier Murgui , ingeniero agrónomo y Máster en Tecnología y Calidad en Industrias Agroalimentarias, actualmente es investigador en AZTI-Alianza Vasca para la Investigación y la 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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