Tecnologías emergentes no térmicas para la conservación de carne fresca y productos cárnicos

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Dentro de los procesos de conservación, la descontaminación de microorganismos es una de las áreas en la que más se ha enfocado la investigación, el desarrollo y la innovación de metodologías, ya sea por un beneficio al producto alimenticio durante su almacenamiento, procesamiento o vida de anaquel, o por una reducción a problemas de salud en el consumidor causados por posible contaminación bacteriana. Existe una gran variedad de metodologías de conservación que se han desarrollado. Desafortunadamente, la mayoría de ellas conllevan alteraciones estructurales, nutricionales o sensoriales indeseables, sobre todo aquellos procesos térmicos que implican alteraciones en la temperatura de la carne o sus productos. En años recientes se ha puesto especial atención a metodologías de conservación emergentes no térmicas, considerándolas como una alternativa excelente, dado que no afectan la calidad del alimento. Este artículo es una revisión sobre algunas que son aplicadas actualmente en el procesamiento de productos cárnicos.

Luz ultravioleta

La luz ultravioleta (UV) es un tipo de radiación no ionizante, cuyo rango operacional se encuentra entre los 100 y 400 nm de longitud de onda del espectro electromagnético para el  procesamiento de alimentos. Su aplicación en el alimento tiene como objetivo reducir la carga microbiana, conservando la calidad fisicoquímica y organoléptica al alargar la vida en anaquel. La aplicación de UV a los alimentos de manera general consiste en la exposición directa del mismo a la luz UV. Inicialmente se utilizó en superficies para procesado de alimentos, posteriormente en alimentos líquidos y superficies de alimentos sólidos. En la actualidad, con la utilización de lámparas de gas inerte (i.e. Xenón) que producen pulsos intensos de luz UV que consisten en radiación electromagnética con ondas en el rango de 100 a 1100 nm (luz visible, UV e infraroja), también se aplica a alimentos semi y sólidos (Keklik et. al. 2012).

Se han realizado estudios con aplicación de luz UV en forma de pulsos de aproximadamente 100 µs. en los que se han observado resultados más efectivos para la inactivación de microorganismos. La aplicación de UV-C puede ser utilizada para la diminución de la carga microbiana de Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes y Salmonella enterica.

Ultrasonido

El ultrasonido es definido como las ondas sonoras a una frecuencia mayor a la que puede ser escuchada por el oído humano, correspondiente a frecuencias mayores a 20kHz. La frecuencia de ultrasonicación es uno de los parámetros responsables del efecto o acción mecánica del ultrasonido sobre la carne. Al aplicar ondas ultrasónicas con una frecuencia por debajo de 100 kHz se crean una menor cantidad de burbujas de cavitación, pero de un mayor tamaño. Las cuales al implotar liberan gran cantidad de energía al medio favoreciendo los efectos físicos. Al aplicar ondas ultrasónicas con frecuencias mayores a 100 kHz se crean mayor número de burbujas de cavitación, pero de un menor tamaño, liberando menor energía al medio y generando radicales libres. Por lo que estas condiciones de procesamiento favorecen los efectos químicos de la cavitación (Zupanc et al., 2019). Se han encontrado efectos benéficos al aplicar ultrasonido a alimentos, tales como: promover la transferencia de masa, activación o inhibición de enzimas, reducción de carga microbiana, mejora de características organolépticas como el color, emulsificación, cristalización, homogenización, rompimiento de células y ablandamiento de carne (Alarcon-Rojo et al., 2019; Turanta? et al., 2015; Almanza-Rubio et al., 2016).

El deterioro de la carne se da principalmente por crecimiento microbiológico y por oxidación lipídica, lo cual puede resultar en pérdidas económicas y en un riesgo de salud para el consumidor en caso de que no se realice un adecuado almacenamiento, distribución o procesamiento (Turanta? et al., 2015). El UAI es una herramienta alternativa no térmica que ha sido investigada para la disminución de cargas microbianas en cárnicos (Turanta? et al., 2015). Se ha encontrado disminución de coliformes totales, bacterias mesófilas y psicrófilas, mediante gradientes de presión y temperatura que pueden destruir la membrana celular y su ADN, causando la muerte celular (Alarcon-Rojo et al., 2019; Diaz?Almanza et al., 2019). Adicionalmente, se han encontrado efectos antimicrobianos en contra de Salmonella typhimurium, Salmonella derby, Salmonella infantis y Yersinia enterocolitica (Alarcon-Rojo et al., 2019; Caraveo et al., 2015) y una reducción de hasta 60% de la microflora natural de la carne (Aguilar et al., 2021).

El efecto del UAI sobre los microorganismos depende de las condiciones de ultrasonicación (intensidad, tiempo, frecuencia), el medio de propagación de las ondas ultrasónicas y concentración y especie de los microorganismos (Diaz?Almanza et al., 2019; Zupanc et al., 2019; Aguilar et al., 2021). La utilización únicamente de UAI suele tener un efecto bajo sobre la reducción de carga microbiana en cárnicos. Por lo que se pueden utilizar combinaciones con otras tecnologías como altas presiones (Evelyn y Silva, 2018), pulsos de campos eléctricos (Huang et al., 2006), irradiación (Tremarin et al., 2017), compuestos químicos (Bastarrachea et al., 2017; Dolan et al., 2018) y temperatura (Li et al., 2017; Carrillo-Lopez et al., 2017).

La textura es una propiedad importante de la carne que afecta en la aceptación al momento del consumo. La terneza o suavidad es la propiedad de textura más importante. En cuanto a la mejora de textura en productos cárnicos por el UAI los resultados parecen ser muy variados. Por un lado se reportan mejoras en textura en carne de bovino Longissimus dorsi (Kang et al., 2017; Peña-González et al., 2017; Peña-Gonzalez et al., 2019), Longissimus lumborum (Barekat and Soltanizadeh, 2017; Diaz?Almanza et al., 2019), Semitendinosus (Jayasooriya et al., 2007; Chang et al., 2015; Wang et al., 2018), Semimembranosus (Stadnik and Dolatowski, 2011), sirloin (Roberts, 1991), flank (falda) (Zou et al., 2018), en donde la disminución de la dureza es comúnmente atribuida a los efectos físicos de la cavitación acústica, resultando en daño en el perimisio (Roberts, 1991), ruptura de la estructura de proteínas miofibrilares y de colágeno (Peña-Gonzalez et al., 2019) y un mayor índice de fragmentación miofibrilar (Kang et al., 2017). Sin embargo, otros autores reportan nulo efecto en terneza al aplicar ultrasonido, atribuyendo comúnmente a que las condiciones de sonicación no fueron lo suficientemente intensas (Gambuteanu and Alexe, 2013; Sikes et al., 2014; Wan et al., 2018).

A pesar de las ventajas de la utilización del UAI, también se han reportado algunos efectos negativos sobre parámetros de importancia de la carne. El color es una de las propiedades más importantes debido a que es la primera impresión del consumidor en el mercado, considerando el color rojo cereza como el más deseable ya que generalmente lo relaciona con el grado de frescura y sabor (Tapp et al., 2011; Hernández et al., 2019). El UAI puede tener un efecto adverso en las propiedades de color, se ha reportado disminución en las características deseables con cambios a colores menos rojos y más pálidos (Caraveo et al., 2015; Peña-Gonzalez et al., 2019). Al aplicar UAI en carne, se han encontrado una disminución de hasta 50% de los fosfatos necesarios para la elaboración de emulsiones cárnicas (Pinton et al., 2019).

Campo de pulsos eléctricos o campos eléctricos pulsados

El procesamiento de campo de pulsos eléctricos (Pulsed Electric Fields, PEF por sus siglas en inglés) es una tecnología de procesamiento no térmico que se encuentra en crecimiento ya que genera productos alimenticios seguros microbiológicamente, nutritivos y de apariencia fresca. Adicionalmente tiene ventajas económicas y de ahorro de energía. Es comúnmente utilizado en alimentos líquidos de modo continuo o semicontinuo. Sin embargo, también puede ser utilizado en alimentos sólidos en procesamiento por lotes.

La tecnología de PEF consiste en la aplicación de un campo eléctrico entre 20 y 80 kV/cm sobre un alimento situado en medio de dos electrodos. Estos generan pulsos eléctricos cortos con duración entre 1 y 100 µs. Para que la tecnología de PEF sea efectiva en la inactivación de microorganismos patógenos y de descomposición, debe considerarse el tipo de pulso (monopolar o bipolar) y el tipo de onda (sinusoidal, cuadrado o de caída exponencial). Otros factores que afectan su efectividad son: los factores de proceso, como la fuerza del campo eléctrico, número de pulsos, tiempo de procesamiento, temperatura, forma del pulso, amplitud del pulso, polarización, frecuencia, energía específica y diseño del equipo. Factores propios del microorganismo también pueden intervenir en la efectividad de los PEF: la concentración, la susceptibilidad del microrganismo, su especie y tipo, sus condiciones de crecimiento, la composición del medio de crecimiento, la temperatura a la cual se desarrolla, la concentración de oxígeno, entre otros. Los factores del producto alimenticio también influyen: composición, presencia de partículas, azúcares, sales, espesantes, conductividad, fuerza iónica, pH, actividad de agua, entre otros. El mecanismo de destrucción celular mediante la tecnología de PEF se debe a la ruptura eléctrica de las células a través de electroporación (Khan et al., 2016).

En las aplicaciones en alimentos, el efecto del PEF sobre las poblaciones bacterianas es normalmente irreversible. De manera que la membrana bacteriana sufre una disrupción permanente, resultando en la muerte (Arroyo et al., 2014; Buchman y Mathys, 2019). La inactivación de microorganismos se correlaciona linealmente con la intensidad de PEF. Por lo que a mayor intensidad mayor inactivación de microorganismos. Sin embargo, a intensidades muy elevadas se pueden afectar características organolépticas de los productos. Se han encontrado efectos sinérgicos de la utilización de PEF con tratamiento térmico, resultando en una reducción de carga microbiana y una extensión en la vida en anaquel de productos alimenticios (Khan et al., 2016).

El uso de PEF en carne se ha relacionado con la mejora en la conservación del color, incremento de la terneza y añejado. Específicamente en carne de res (Longissimus lumborum y Semimembranosus) la aplicación de PEF (10 kV, 90 Hz and 20 μs) incrementa la terneza de la carne por un posible efecto de aceleramiento de la proteólisis, junto con el efecto físico de los pulsos. Adicionalmente, no se detecta la formación de olores y sabores indeseables o la oxidación de lípidos en ese tipo de carne por aplicación de PEF (Swandy et al., 2015). Recientemente, Gomes et al. (2019) publicaron una revisión del efecto de PEF sobre la terneza de res y pavo, con más de diez documentos soportando que se reduce la dureza de la carne hasta en un 21.6%.

Altas Presiones Hidrostáticas (APH)

Este método de procesamiento consiste en aplicar al alimento presiones entre 100 y 1000 MPa. Se introduce al alimento dentro de un empaque flexible y se lo coloca en una cámara de altas presiones. La presión se transmite de forma uniforme en todas las direcciones a través del empaque hasta el alimento, por medio de un fluido de transmisión de presión (generalmente agua) (Giménez et al., 2015; Khan et al., 2016; Salazar et al., 2021). A pesar de ello, las cámaras de procesamiento comerciales tienen un límite de 700 MPa (Giménez et al., 2015).

Al igual que el proceso de irradiación, esta tecnología incrementa tan poco la temperatura que es considerada como no térmica, tiene  un aumento aproximado de temperatura de 3°C por cada 100 MPa de presión aplicada. Las APH son utilizadas principalmente en productos cárnicos como jamón cocido, jamón curado, algunas comidas precocinadas con pavo, cortes de pollo y cerdo, comidas precocinadas de aves de corral, jamón de Parma, mortadela, tocino, salami y otros embutidos ahumados o no ahumados (Hereu et al., 2012; Giménez et al., 2015; Hygreeva and Pandey, 2016; Salazar et al., 2021).

La importancia de APH radica en su efectividad en el control de microorganismos en un producto alimenticio, mientras mantiene su frescura y textura por un tiempo prolongado sin la necesidad de la utilización de conservantes. Las ventajas que tienen las APH a comparación de métodos tradicionales de energía térmica son: menor daño por calor, menor tiempo de procesamiento, retención de frescura, textura y color, retención de vitaminas, cambios mínimos durante la congelación del material y menores cambios indeseables en las propiedades funcionales (Khan et al., 2016). Estas ventajas son atribuidas a que la presión no afecta sobre los enlaces covalentes de las moléculas, por lo que se conservan estas características de calidad (Salazar et al., 2021) La metodología de APH puede llevarse a cabo en alimentos sólidos y líquidos, por medio de tres formas: por lotes, continuo o semicontinuo. En los casos de procesamiento continuo o semicontinuo, el alimento debe ser fluido bombeable y posterior al tratamiento debe empacarse asépticamente. En el caso del procesamiento por lotes los productos pueden ser sólidos o fluidos, siendo posible su procesamiento dentro de su empaque.

Las APH tienen efectos deseables en los alimentos, ya que producen desnaturalización de proteínas en organelos bacterianos como la membrana, inactivación de enzimas, cambios en interacción enzima con sustrato, así como en grasas y carbohidratos. Adicionalmente, conservan las características nutricionales, vitaminas y sustancias responsables del sabor y aroma del alimento, lo cual resulta en modificaciones mínimas a las características sensoriales de productos cárnicos. Se han utilizado APH para la preservación de productos cárnicos con efectos positivos en actividad proteolítica, propiedades de textura, sabor y aroma (Giménez et al., 2015).

La descontaminación del alimento se da debido a que el daño celular ocurre en una primera instancia en la membrana celular con un consecuente cambio en la permeabilidad, causando pérdida de fluido intracelular e inhibiendo las reacciones bioquímicas celulares. También ocurren cambios en la morfología, mecanismo genético, los sistemas de transporte, pérdida de respuesta osmótica e incapacidad de mantener el pH (Aymerich et al., 2008; Reyes et al., 2015). Sin embargo, su efectividad depende de varios factores como: tipo de microorganismo, fase de crecimiento, presión aplicada, tiempo de procesamiento, composición del alimento, temperatura, pH y actividad de agua.

La presión más comúnmente utilizada para el tratamiento de productos cárnicos es en un rango de 300 a 600 MPa, por cortos períodos de tiempo, que van desde un minuto hasta 20 minutos; los cuales son tratamientos suficientes para la reducción de distintos microorganismos como E. coli, Campylobacter jejuni, Pseudomonas aeruginosa, S. typhimurium y Yersinia enterocolitica. En ese rango de presión se da una pérdida de color en la carne, ya que a presiones mayores a 300 MPa se desnaturaliza la mioglobina, perdiendo el hierro del grupo hemo (Giménez et al., 2015). Para una reducción de 12D de Clostridium botulinum es necesaria una combinación de APH con presiones de 530 MPa y un tratamiento térmico por arriba de los 70 °C. En este tratamiento combinado se obtienen mejores características de calidad fisicoquímicas como el color, en comparación con el método de esterilización sin combinar, ya que es menos severo contra dichas características fisicoquímicas (Aymerich et al., 2008; Hygreeva y Pandey, 2016). Un tratamiento entre 400 y 500 MPa suele ser suficiente para alcanzar el grado de seguridad objetivo para productos cárnicos, mientras que uno entre 700 y 800 MPa es suficiente para carne fresca (Aymerich et al., 2008). Sin embargo, las condiciones de procesamiento más favorables en cuanto a seguridad y la relación costo-efectividad son aplicando presiones entre 350 y 400 MPa en combinación con temperaturas entre 60 y 80 °C, y tiempos de entre 1 a 15 min (Khan et al., 2016).

Se han realizado investigaciones en donde se observa una disminución de las características de calidad y pérdida de compuestos activos durante el almacenaje, tales como pérdida de aroma y color y oxidación lipídica, debido a una actividad enzimática residual (Salazar et al., 2021). La utilización de APH en carne fresca tiene como consecuencia un cambio negativo en el color, debido a una desnaturalización de la mioglobina (Szerman et al., 2011). Mientras que en los productos cárnicos este cambio es muy pequeño, dando como resultado un producto final con color aceptable y con estabilidad microbiológica (Giménez et al., 2015). La mayor ventaja de la utilización de APH sobre parámetros organolépticos en carne es la mejora de la terneza. La mejora en la dureza de la carne por las APH depende principalmente del tiempo post-mortem en que estas son aplicadas y el nivel presión. De manera general, la reducción de dureza se debe a los efectos de las APH (100 a 300 MPa) aplicadas pre-rigor mortis sobre las proteínas de la carne. Esto consiste en: solubilización de proteínas miofibrilares (actina -miosina), desintegración de proteínas de línea Z, despolimerización de F-actina, rupturas de banda I, disociación y deformación de miosina, lo cual en conjunto provoca la fragmentación y ruptura de la estructura fibrilar. Sin embargo, presiones mayores a 400 HPa o aplicación post-rigor mortis puede ocasionar efectos nulos o incremento de la dureza por oxidación de proteínas (Bolumar et al., 2020).

Conclusiones

Los métodos no térmicos de procesamiento para productos cárnicos parecen tener un futuro prometedor en la industria cárnica. Aunque aún es necesaria la exploración experimental sobre parámetros de aplicación, todos ellos ya han demostrado su capacidad de reducción eficaz de cargas bacterianas, tanto patógenas como de descomposición de los alimentos. Algunos como el ultrasonido, también han demostrado buenos resultados sobre características sensoriales como la terneza de la carne o el pH.

Todos estos beneficios, pueden ser de utilidad para productores y procesadores de carne, ya que ayudan a contribuir a alcanzar los niveles de inocuidad alimentaria demandados por los consumidores e instancias reguladoras, sin comprometer las características nutricionales y sensoriales, comúnmente degradadas por los métodos térmicos en los alimentos.

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