INTRODUCCIÓN

La luz, las microondas, losrayos X, las ondas de radio,etc., son ondas electromag-néticas que se distinguen

entre sí por su longitud de onda.Se entiende por altas frecuencias

las ondas electromagnéticas que van

desde 30 kHz a 30 GHz. Dentro deellas se pueden encontrar: las radio-frecuencias, que corresponden aondas entre 30 kHz a 300 MHz y lasmicroondas, que corresponden aondas entre 300 MHz y 30 GHz.

Las altas frecuencias en el mundode la tecnología de alimentos sonbien conocidas debido al uso del

26 • TECA [Associació Catalana de Ciències de l’Alimentació], núm. 8 (novembre 2005), p. 26-33

TECNOLOGIA

Aplicaciones de las ondaselectromagnéticas

en productos alimenticiosRESUMEN: Las altas frecuencias tienen un gran potencial dentro de la tecnología dealimentos, tanto en el ámbito doméstico como en el industrial. En el ámbitodoméstico, el horno microondas es un equipo conocido que hoy en día se haconvertido en un elemento importante en las cocinas del mundo desarrollado.En el caso de la industria alimentaria, el uso de las microondas y radiofrecuenciases todavía escaso debido a la necesidad de equipos y personal especializado.

La falta de aplicación de esta tecnología viene relacionada con la falta deconocimiento de lo que es un calentamiento por altas frecuencias y eldesconocimiento de los factores críticos que determinarán la calidad de estecalentamiento (constantes dieléctricas, geometría del producto, distribución en elenvase, etc.). Con este artículo se busca aclarar las bases de esta tecnología, ademásde describir algunas aplicaciones.

PALABRAS CLAVE: Ondas electromagnéticas, tecnología alimentaria, microondas,radiofrecuencias.

SUMMARY: High frequency waves have a great potential in Food technology, both athouse-cooking or industrial use. At home, microwave oven is a widely usedequipment at kitchens of developed world. By contrast, in the Food Industry, the useof microwave and radio-frequency techniques is relatively small as a consequenceof the need of equipment and specialised staff.

The low application of such technology is related to the poor knowledge of theheating process through high frequencies as well as their critical factors thatdetermine the quality of the heating process (dielectric constants, product geometry,distribution in the packaging, etc.). This article intends to clarify the basis of thistechnology besides describing some applications.

P. PICOUET Y V. DEL-VALLE

IRTA, Centre de Tecnologiade la Carn, Monells

Capitulo 03 2/12/05 15:52 Página 26

horno microondas doméstico, quehoy en día se ha convertido en unelemento importante en las cocinasdel mundo desarrollado. En elámbito industrial, la aplicación de lasaltas frecuencias se puede encontraren una variedad de procesos (Row-ley, 2001; Regier y Schubert, 2001),como: la vulcanización y fusión deplásticos, el secado de madera, teji-dos y papel, el estudio de la estructurade la madera, etc. (Bucur, 2003), ydentro de la industria alimentaria, amás pequeña escala, para la des-congelación, el secado, la pasteuri-zación y la esterilización de produc-tos frescos y elaborados (informe dela FDA, 2000).

En el ámbito doméstico, el hornomicroondas es utilizado para des-congelar alimentos, calentar líqui-dos y recalentar productos ya coci-nados (Brody, 2001), pero en pocasocasiones para cocinar alimentos,por lo que no ha conseguido reem-plazar al horno tradicional. En laindustria alimentaria, el coste delequipo y la necesidad de tener personal cualificado para el mante-nimiento y la utilización de los equi-pos hace que pocas empresas quie-ran invertir en estas tecnologías(Regier y Schubert, 2001).

Según Shukia (1998), la razónprincipal de la poca o mala utilización

de las altas frecuencias en el ámbi-to doméstico, específicamente lasmicroondas, es que aún no se ha lle-gado a comprender completamentela acción de las microondas y la nece-sidad de que el producto en sí estédiseñado para su uso con esta tecno-logía. Es decir, las constantes dieléc-tricas del producto, la geometría (ladisposición de los alimentos en unplato o envase, la forma del alimento,etc.), su composición y su distribu-ción son parámetros importantes quehan de ser controlados y estudiadosde cara a un óptimo rendimiento delas microondas (Ryynänen y Ohlsson,1996; Brody, 2001; Ryynänen, 2002).

Como puede observarse, la apli-cación de ondas electromagnéticassobre productos alimenticios no es deconocimiento general. En este artículose pretende describir la tecnología yenumerar algunas de las posibles apli-caciones, muchas de las cuales seestán llevando a cabo en la actualidad.

PRINCIPIO DELCALENTAMIENTO POR ALTASFRECUENCIAS

Microondas y radiofrecuenciasEl calentamiento por ondas electro-magnéticas de baja energía, ya seapor microondas o radiofrecuencias,

se basa en la agitación de las molé-culas polares, como la molécula deagua, presentes en los alimentos.Ambos calentamientos se diferen-cian entre sí por la frecuencia y laforma de generar el calor.

Como se ha mencionado, lasmicroondas (MO) cubren frecuen-cias entre 300 MHz y casi 30 GHz yson generadas por un magnetrón(figura 1). El magnetrón es un tuboque consiste en un filamento calientecargado con una corriente directa,construido dentro de una cavidadresonante, y sometido a un campomagnético. Al ponerse en marcha elmagnetrón los electrones creadospor el filamento se agitan en la cavi-dad a una frecuencia resonante,emitiendo así una onda electro-magnética. El paso siguiente estransferir esta onda al producto,mediante una guía de onda.

Microondas (MO)En el caso de las microondas, segúnel tipo de cavidad y la guía de ondasque se utilice (figura 3), esta transfe-rencia puede ser: a) directa, es decirque no hay reflexión de la micro-onda sino que la onda va directa alproducto (en este caso se habla deun horno microondas monomodo),o b) indirecta, lo que indica queantes de llegar al producto la micro-

TECA / 8 • 27

FIGURA 1. Espectro electromagnético.

microondas

Microondas doméstico2.450 MHz

Visible

Frecuencia en hertz

Frecuencias subradio Radiofrecuencias

I.R. U.V. Rayos X Rayos gamma, cósmicos

Longitud de ondas (m)

3 106 3 102 3 10–2 3 10–6 3 10–10 3 10–14

102 106 1010 1014 1018 1022

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onda habrá rebotado varias veces(puede llegar a más de mil veces enun horno doméstico) generandocada vez un modo de reflexión (eneste caso se habla de un hornomicroondas multimodos).

La ventaja principal del equipomonomodo es que cada vez que segenera un modo (o sea, cada vez querebote la onda), se pierde energía, loque hace que la transferencia de lapotencia eléctrica sea mejor que enun horno multimodos (ej.: hornodoméstico). Por el contrario, la des-ventaja principal de este sistema esque la cavidad y la guía de ondas tie-nen que ser diseñadas y adaptadasal producto que se quiera calentar.

Radiofrecuencias (RF)Las RF son generadas mediante unsistema de electrodos (aplicador)acoplados a un generador alternativocuya frecuencia es controlada por unsintonizador (figura 4). En el caso delas RF, existen dos tecnologías parallevar la potencia eléctrica al apli-cador. La primera tecnología es lallamada tecnología convencional,donde el generador y el sintonizadorse sitúan a menos de un metro delaplicador. La segunda tecnología, lla-mada 50 ohm, presenta el generadora varios metros del aplicador, y uti-liza un sintonizador más complejoque, además, es más caro que el quese usa en la tecnología convencional.

Respecto a la ventana de frecuen-cias en las que se puede trabajar conlas altas frecuencias, 30 kHz-30 GHz,el espectro electromagnético se uti-liza, en su mayor parte, para el inter-cambio de informaciones (radio,televisión, telefonía móvil, tecnolo-gía bluetooth, etc.). Las bandas uti-lizables para aplicaciones industria-les y científico-médicas, dentro deéstas las del ámbito alimentario, hansido definidas por la InternationalTelecommunication Union. Estasbandas son llamadas también ban-das Industrial, Science and Medical(I. S. M.) (tabla 1).

La generación de caloren un alimentoEl calentamiento por MO o RF actúasobre moléculas polares, o sea quepresentan una zona negativa y unazona positiva; un ejemplo típico esla molécula del agua. Es así comoestas moléculas, al estar sometidasa un campo eléctrico, se comportancomo un dipolo y siguen la direc-ción de dicho campo. Este efectoprovoca un movimiento desorde-nado, una agitación de la moléculapolar, lo que finalmente se traduceen calor.

Se define el flujo de calor gene-rado por unidad de volumen (Q)como:

Q = 2pfe0e0 E 2

Donde f es la frecuencia de laonda electromagnética en hertz; e0,la permitividad del vacío cuyo valores 8,854 10–12 J–1.C2.m–1; e0, el factorde pérdidas que depende del ali-mento o material, y E, la amplituddel campo eléctrico en el interior delproducto.

Otro factor importante a tener encuenta al referirse a calentamientopor altas frecuencias es la denomi-nada constante dieléctrica, e9. Laque a su vez nos permite definir latangente de pérdidas (Tan d = e0/e9).

Otro parámetro a definir es la dis-tancia de penetración de la onda Dp(Buffler, 1993), representada por lasiguiente ecuación:

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TABLA 1. Bandas I. S. M. autorizadas

Microondas Longitud de onda (λ) Homogeneidad de la onda1

5.725-5.850 MHz 22,14-22,11 n 3,69 m2.400-2.483,5 MHz 11,13-11,00 m 1,84 m

908-928 MHz 7,38-7,37 m 1,23 m433,05-434,79 MHz 0,693-0,690 m 0,115 m

Radiofrecuencias

40,66-40,70 MHz 0,330-0,323 m 5,4 cm26,96-27,28 MHz 0,125-0,121 m 2,0 cm13,55-13,57 MHz 0,052-0,051 m 0,9 cm

1. Distancia por la cual la onda electromagnética se consideraba homogénea. ( )5,0

2 1''1'22

−

−+×= εε

επλoDp '

FIGURA 2. Esquema simplificado de un magnetrón. Las flechas en negroindican el movimiento de los electrones que se agitarán en las cavidadesa una frecuencia determinada.

Cavidad Cátodo

Guía de ondas

Ánodo

λ

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Todos estos parámetros son muyimportantes ya que condicionandirectamente la eficacia del calenta-miento por microondas y/o radiofre-cuencias. Algunos de estos paráme-tros, como e0 y e9, están relacionadoscon las características fisicoquímicasdel alimento y del envase. Otros,como la frecuencia y la amplitud delcampo eléctrico (f y E), hacen refe-rencia a la generación de la onda elec-tromagnética y el espacio geométricodonde se produce la irradiación(denominado cavidad en el caso delas microondas, y zona de aplicaciónen el caso de las radiofrecuencias).

El parámetro Dp es importanteporque condiciona en qué zona delalimento las altas frecuencias gene-rarán calor. En la figura 5 se muestrauna secuencia en dos dimensionesque corresponde a un calentamientopor altas frecuencias. Según eltamaño y/o espesor de la muestra,las ondas electromagnéticas calen-tarán la parte externa del producto ya partir de aquí es la transferenciatérmica la que facilitará el calenta-miento del corazón y la homogenei-zación de la temperatura.

Los parámetros dieléctricos ee0 y ee9Las propiedades dieléctricas descri-ben como los materiales poco con-ductivos interaccionan con el campoeléctrico de la radiación electromag-nética. Estos parámetros, a pesar dellamarse constantes, son variablescon distintos factores, como: la fre-cuencia del campo electromagnético,la temperatura del material, la activi-dad del agua, las concentraciones desales, el contenido en grasa, etc. En lafigura 6 se muestran las constantesdieléctricas e0 y e9 a 25 ºC para unafrecuencia de 2.450 MHz.

Estos datos son válidos a tempe-ratura ambiente ya que al aumentarde temperatura las constantes die-léctricas cambian, especialmente laconstante e0, que tiene tendencia abajar, lo que se traduce en que elcalentamiento por microondas seamenos eficaz.

En la figura 7 se muestran losdatos presentados por Zhang et al.(2004) sobre el efecto de la frecuen-

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Multimodos

Magnetrón

a) Monomodob)

Magnetrón

FIGURA 3. Horno microondas con dos sistemas de cavidad y de guías deondas: a) sistema multimodos (horno doméstico) y b) sistema monomodo(donde la microonda llega directamente al producto).

Generador

de

FIGURA 4. Esquema simplificado de un sistema generador deradiofrecuencias. El aplicador corresponde a dos electrodos alimentadospor un generador y cuya frecuencia es controlada por el sintonizador.Ve es la tensión aplicada entre los electrodos y de, la distancia.

Sintonizador Aplicador

Ve

OEM

T1

FIGURA 5. Proceso de calentamiento por altas frecuencias: a) la ondaelectromagnética (OEM) llega al producto (temperatura T1) por todaslas direcciones; b) la generación de calor por OEM se realiza en la zonadefinida por la Dp, T2 > T1, comienza la difusión del calor por el producto,y c) la parte central del producto se calienta y se homogeneiza latemperatura por transferencia térmica.

Dp

a)

OEM

OEM

OEM

T1

b) c)

T2

T2

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cia y de la temperatura sobre la dis-tancia de penetración de un pro-ducto elaborado de cerdo (Pork Lun-cheon Roll). En esta figura se observael cambio de Dp a temperatura cons-

tante según la frecuencia utilizada.A 45 ºC Dp presenta un valor de4,4 cm a una frecuencia de 27 MHzy de sólo 0,4 cm para 2.450 MHz. Sinembargo, también se puede obser-

var un cambio en Dp a medida queaumenta la temperatura del pro-ducto; mientras mayor sea la tem-peratura menor será la Dp, especial-mente en el caso de las RF.

APLICACIONES DE LASALTAS FRECUENCIAS

CalentamientoLa aplicación primera de las altasfrecuencias es el calentamiento. Porlo general, en los procesos de calen-tamiento en el ámbito doméstico ode empresas dedicadas a la restau-ración se busca calentar un pro-ducto a una temperatura homogé-nea superior a 65 ºC (RD 3484/2000).

Los microondas domésticos uti-lizan una frecuencia de 2.450 MHz,un sistema multimodos y unapotencia eléctrica máxima de 900 W.Uno de los inconvenientes de estosequipos es la heterogeneidad delcalentamiento, lo que puede llegara ser un problema que puede tenersolución (Ryynämen et al., 2004). Alno poder cambiar el modo de llevarla microonda, las modificaciones sehan de enfocar sobre la geometríadel producto, la disposición en elenvase, la composición, el tipo deenvase, etc., ya que según Ryynämenet al. (2004), algunos de éstos son losfactores que más influencia tienensobre la aparición de puntos de calor(hot spots). La figura 8 muestra elcalentamiento de salchichas decerdo en un envase, no adaptadoespecialmente al producto, dondese puede observar que las extremi-dades se calientan más rápidamenteque el corazón. En sólo treintasegundos de tratamiento se puedeobservar una diferencia de tempe-ratura de 22 ºC entre los bordes y elcorazón del producto.

PasteurizaciónOtra aplicación de las altas frecuen-cias es la pasteurización de produc-tos. El hecho de que con las altas frecuencias se puedan alcanzar temperaturas elevadas en un tiem-po reducido hace que esta tecnolo-gía sea una alternativa interesantepara estas aplicaciones.

30 • TECA / 8

0,3 cm

FIGURA 6. Constantes dieléctricas 9 versus 0 a 2.450 MHz y 25 ºC, paradiferentes productos. El agua salada contiene un mol de NaCl. Los datoshan sido extractados o calculados con modelos publicados por: Calay et al.(1995), Zheng et al. (1998), Sipahioglu et al. (2003), Sipahioglu y Barriguer(2003), Regier y Schuber (2004), y Zhang et al. (2004).

60

50

40

30

20

10

0

Loncha de fiambre de cerdo

Constante 9

Co

nst

ante

0

Jamón cocido II

White Pudding

0,5 cm

1,0 cm

Ternera cocida

Ajo

Jamón cocido I

Ternera cruda

Perejil

Gambas

Pescado

Plátano

Manzana

Brócoli

Agua salada

ZanahoriasPera

Pepino

Agua

20 30 40 50 60 70 80

e

e

ε ε

6

5

4

3

2

1

0

Temperatura (ºC)

Dis

tan

cia

de

pen

etra

ció

n (c

m)

27 MHz

915 MHz

2.450 MHz

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

FIGURA 7. Evolución de la distancia de penetración (Dp) respectoa la temperatura de un producto cárnico (Pork Luncheon Roll) utilizandovarias frecuencias (datos de Zhang et al., 2004).

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En la figura 9 se presenta el per-fil de temperaturas registrado en elcorazón del producto y el valor depasteurización F0 de una loncha dejamón cocido envasada sometida aun calentamiento de dos minutos.Los datos muestran que el valor F0

alcanza valores de 805 al cabo de losdos minutos de calentamiento. Ade-más, al dejar el producto dentro desu envase se puede llegar a valoresde pasteurización de 1.000. En unplato precocido, un valor de F0 supe-

rior a 100 es considerado como ade-cuado para tener una vida útil deveintiún días (Beaufort y Rosset,1989).

Estos datos indican que con unenvase adecuado se podrían alcan-zar temperaturas que permitirían la pasteurización del producto.Recientemente, Apostolou et al.(2005) publicaron la eficacia bacte-ricida de un calentamiento pormicroondas con hornos domésticos(frecuencia 2.450 MHz con una

potencia de 650-800 W) en pechugade pollo inoculada con E. coliO157:H7. Estos investigadores demos-traron que con un tratamiento detreinta y cinco segundos alcanzaronuna reducción de 6,18 (ufc/g 5 106).

DescongelaciónLa descongelación es otro procesodonde pueden aplicarse las altas frecuencias. La descongelación con-siste en llevar un producto desde –30 ºC/–20 ºC hasta –5 ºC/–2 ºC,

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FIGURA 8. Perfil de temperatura e imagen de termografía infrarrojo, mostrando el calentamiento de una salchichade cerdo durante treinta segundos en un horno doméstico a 900 W.

Tiempo (s)

Imagen de termografía IR

Tem

per

atu

ra (º

C)

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

00 15 30 45 60 75 90

22 ºC

Calentamiento

Borde 1 Centro 1 Borde 2Centro 2

Borde 2 Borde 1

Centro 1

Centro 2

FIGURA 9. Calentamiento/pasteurización de una loncha de jamón cocido envasada. El proceso de calentamiento fuecon un microondas a 900 W de potencia durante dos minutos. La figura de la izquierda presenta el perfil detemperaturas y la figura de la derecha, el valor de pasteurización acumulado, F0.

Tiempo (min)

Tem

per

atu

ra (º

C)

120

100

80

60

40

20

00

Calentamiento

Centro

Centro 1Centro 2

1 2 3 4 5 6Tiempo (min)

Un

idad

de

pas

teu

riza

ció

n a

cum

ula

da

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

00

Calentamiento

1 2 3 4 5 6

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temperatura a la cual dicho pro-ducto puede ser procesado. En lostratamientos convencionales eltiempo de descongelación es bas-tante largo, alrededor de veinticua-tro horas para un bloque de carnede cerdo de 12 cm de espesor (datosStalam Ltd). Mediante las altas fre-cuencias, particularmente las RF,este tiempo puede reducirse. En elcaso del mismo bloque de carne decerdo, con un equipo de radiofre-cuencia (27,12 MHz), el tiempo dedescongelación puede ser menor aocho minutos. En el caso de lasmicroondas (2.450 MHz), el trata-miento con un sistema monomodoes particularmente eficaz, pudién-dose calentar una hamburguesa de135 g desde –18 ºC hasta 65 ºC enmenos de veinticinco segundos.

En resumen, según Rowley(2001), mediante la descongelaciónpor altas frecuencias puede obte-nerse un proceso de una duracióninferior a dos horas, con un exudado

alrededor del 1 %, lo que a su vezpermite una disminución del creci-miento microbiológico, una reduc-ción de la manipulación del pro-ducto y un aumento de la vida útildel producto.

SecadoLas altas frecuencias también sepueden aplicar en los procesos desecado, muy utilizados en la indus-tria textil, maderera y papelera (Row-ley, 2001; Regier y Schubert, 2001).En el sector agroalimentario, las altasfrecuencias se han utilizado en pro-cesos de post-horneado para la pro-ducción de galletas, dónuts, bollos,etc., y para el secado de hierbas,especias y vegetales (Rowley, 2001).

En los procesos de post-hor-neado los túneles eléctricos suelentener una dimensión de más desesenta metros. El localizar unequipo de radiofrecuencias al finaldel horno eléctrico (figura 10) per-mite reducir el tamaño del horno y

el consumo eléctrico de la línea y,además, mejorar la calidad de losproductos eliminando el porcentajede agua necesaria (Rowley, 2001).

CONCLUSIONES

La tecnología de alimentos ha foca-lizado sus estudios para alargar lavida útil de los productos. En elpasado, estas tecnologías de con-servación se basaban en tratamien-tos térmicos severos (calentamientoo congelación), disminución de laactividad de agua (secado, deshi-dratación, etc.), etc. En los últimosaños, la demanda de productosfrescos, con la mínima cantidad deaditivos posible, seguros desde elpunto de vista higiénico, etc., hahecho que la tecnología de alimen-tos se vea en la necesidad de estu-diar nuevas formas de ofrecer alconsumidor productos con lascaracterísticas que se demandanactualmente. Los tratamientos conaltas frecuencias ofrecen una alter-nativa a los tratamientos térmicosconvencionales con menos pérdi-das organolépticas y una excelentecalidad higiénica.

Es importante recordar que losprocesos de calentamiento ocurren,en la gran mayoría de los casos, enlos alimentos ya envasados. El envaseserá sometido a las mismas condi-ciones del producto, por lo que esmuy importante que el envase seacapaz de resistir el tratamiento ymantener las condiciones de enva-sado hasta que el producto sea pre-parado y consumido.

Como puede observarse, a la horade diseñar un producto que serácalentado por altas frecuencias, esmuy importante tener un conoci-miento amplio de todos los factorescríticos enumerados a continuación:

— AlimentoSe debe conocer la composición,

el comportamiento de los paráme-tros dieléctricos respecto a la tem-peratura, la forma y el tamaño delalimento, si el alimento es simple ocon componentes múltiples, si eslíquido o sólido, etc.

32 • TECA / 8

50

40

30

20

10

0

Distancia (m)

% H

2O

0 10 20 30 40 50 60

FIGURA 10. Perfil de porcentaje de agua para un proceso (700 kg/h)de cocción y post-horneado típico para bollos (datos de Stalam Ltd.).

Túnel eléctrico

RF

RF

Típico proceso de post-horneado (700 kg/h)

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— EnvaseSe debe tener en cuenta la forma

del envase, si el envase es herméticoo abierto, si hay presencia de unmaterial absorbente, si hay presen-cia de susceptores u otros objetosmetálicos que tienen por objetivofocalizar el efecto de las altas fre-cuencias, si el material es compati-ble con las altas frecuencias, etc.

— ProcesoTiempo, temperatura y potencia

de tratamiento, si existe la posibili-dad de combinar el tratamiento poraltas frecuencias con un tratamientotérmico por vapor saturado, por airecaliente o frío, etc.

— EquipoTamaño del equipo, frecuencia

utilizada, adecuación de la cavidadal producto para un tratamientomonomodo, etc.

La respuesta a todas estas pre-guntas permite definir y optimizarun tratamiento por las altas fre-cuencias y disponer al final del tra-tamiento, como lo indica Bertrand(2005), de un producto que se pro-cesa rápidamente y que tendrá unacalidad nutricional, sensorial e higié-nica excelente.

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