Tiempo de refrigeración
La determinación del tiempo de refrigeración constituye un elemento de
importancia práctica ya que permite conocer el tiempo necesario para que
un producto alcance una temperatura dada en su centro térmico partiendo
de una temperatura inicial, una temperatura del medio de enfriamiento,
configuración geométrica, tipo de envase, etc. Este resultado puede
emplearse en el cálculo de la carga por productos correspondiente a la
carga térmica.
Una vía que puede utilizarse para la determinación de este tiempo la
constituye un método gráfico. Este se basa en gráficos para cada una de
las formas geométricas sencillas, esferas, paralelepípedos y cilindros,
donde se relacionan un factor de temperatura, el número de Fourier que
relaciona la difusividad térmica, el tamaño del producto y el tiempo de
enfriamiento, y el número de Biot que relaciona el coeficiente de
transferencia de calor, la conductividad y el espesor del producto.
El método antes descrito supone que la transferencia de calor es
unidireccional. Cuando la transferencia de calor se desarrolla en más de
una dirección, la obtención del citado tiempo conduce a series
infinitas, quedando demostrada la posibilidad de limitarse sólo al
primero de sus términos. Para el trabajo práctico se han preparado
tablas y figuras, las que de manera rápida y sencilla permiten
determinar el tiempo de enfriamiento.
Este método se basa en la combinación de la transferencia de calor
unidireccional desarrollada en figuras geométricas sencillas como la
esfera y el cilindro. Así, para un cilindro de longitud finita donde la
transferencia de calor se efectúe en los sentidos radial y longitudinal,
el método combina la solución del cilindro para el primero y la lámina
para el segundo. En el caso de un paralelepípedo se combina las
soluciones correspondientes a tres láminas.
Este último brindará resultados más precisos en la medida que la figura geométrica se acerca más a una figura regular.
Características del agua
El agua es el constituyente más abundante en la mayoría de los alimentos
en estado natural por lo que desempeña un papel esencial en la
estructura y demás caracteres de los productos de origen vegetal y
animal.
El agua presente en un alimento puede estar como agua libre o como agua
ligada. Esta última puede estar más o menos fuertemente unida de manera
compleja a otros constituyentes. Es por ello que el estado del agua
presente en un alimento es tan importante para su estabilidad como su
contenido total, ya que de ello dependerá su aptitud para el deterioro.
El agua constituye un disolvente para las numerosas especies químicas
que pueden difundirse y reaccionar entre ellas. El agua también puede
difundirse y participar en diversas reacciones, especialmente las de
hidrólisis. La introducción en el agua de distintas especies químicas en
solución o en suspensión coloidal da lugar a las denominadas
propiedades coligativas, las cuales dependen del número de moléculas
presentes. En tal sentido pueden citarse el descenso de la presión de
vapor, elevación del punto de ebullición, descenso del punto de
congelación, descenso de la tensión superficial, aumento de la
viscosidad y gradientes de presión osmótica a través de membranas
semipermeables, entre otras. Estas propiedades determinan el
comportamiento de los alimentos.
Las moléculas del agua en el estado sólido están ligadas entre sí por
enlaces de hidrógeno, lo que da origen a la formación de polímeros de
estructura cristalina en el que cada molécula está unida a otras cuatro.
Los diversos agentes influyen de modo diferente sobre la estructura del
agua. Así, por ejemplo, los electrolitos como Na+, K+, Cl-, fuertemente
hidratados en solución disminuyen el número de enlaces de hidrógeno
entre las moléculas de agua. Las sustancias en solución capaces de
formar enlaces de hidrógeno por sí mismas y pueden modificar la
asociación entre las moléculas de agua de acuerdo con su compatibilidad
geométrica con la red existente.
El agua a su vez modifica propiedades tales como la estructura, difusión, reactividad, etc., de las sustancias en solución.
La actividad del agua es una medida de la mayor o menor disponibilidad
del agua en los diversos alimentos, la cual se define por el descenso de
la presión parcial del vapor del vapor de agua:
aw = pw / po
donde pw es la presión parcial del vapor de agua del alimento y po es la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura.
La actividad de agua constituye una medida relativa con respecto a un
estado estándar tomado como comparación. El estado estándar escogido es
el del agua pura la cual su actividad se toma igual a la unidad, por lo
cual la actividad de un alimento es siempre menor que la unidad. Esto es
debido a que las especies químicas presentes disminuyen la capacidad de
vaporización del agua.
Congelación de alimentos
¿Qué es la congelación de alimentos? ¿Conoce el tiempo adecuado para la refrigeración de los alimentos?
Esta aplicación de las bajas temperaturas se distingue porque la
temperatura del alimento se reduce por debajo de la de su punto de
congelación, producto de lo cual una fracción elevada del agua contenida
en aquel cambia de estado físico formando cristales de hielo. Esta
inmovilización del agua en forma de hielo y el incremento en la
concentración de los solutos en el agua no congelada provoca la
reducción de la actividad del agua del alimento. Por tanto, la
conservación del alimento por esta vía es la consecuencia de la acción
combinada de las bajas temperaturas y la disminución en su actividad de
agua.
No toda el agua presente en el alimento puede separarse en forma de
cristales como consecuencia de la congelación. En el alimento existe una
fracción del agua no congelable a la que corresponde una actividad muy
baja (de hasta 0,3). Esta agua, la cual se encuentra fuertemente unida a
las estructuras moleculares, es denominada agua ligada, permaneciendo
sin congelar a –30ºC. Se considera que esta agua forma una capa
monomolecular fija a los grupos polares tales como NH3 y COO- de las
proteínas y los grupos HO- de los almidones, entre otros. El agua ligada
representa entre el 5 y el 10% de la masa total de agua contenida en el
alimento.
El agua de esta capa resulta muy difícil de extraer, no estando disponible para actuar como disolvente o reactivo.
El agua libre o no ligada, por su parte, representa la mayor parte del agua contenida en los alimentos. No obstante, esta agua no sale espontáneamente de los tejidos. Esta agua se encuentra en forma de geles tanto en el interior de la célula como en los espacios intercelulares, estando su retención influenciada por el pH y las fuerzas iónicas.
Durante la congelación el agua es removida de su posición normal dentro
de los tejidos y convertida en hielo. Este proceso es parcialmente
revertido durante la descongelación dando lugar a la formación de
exudado. El incremento en la concentración de los contenidos celulares
puede generar procesos indeseables en los productos.
Curva de congelación
El proceso de congelación en los alimentos es más complejo que la
congelación del agua pura. Los alimentos, al contener otros solutos
disueltos además de agua, presentan un comportamiento ante la
congelación similar al de las soluciones.
La evolución de la temperatura con el tiempo durante el proceso de congelación es denominada curva de congelación.
Esta curva posee las siguientes secciones:
AS: el alimento se enfría por debajo de su punto de congelación qf
inferior a 0ºC. En el punto S, al que corresponde una temperatura
inferior al punto de congelación, el agua permanece en estado líquido.
Este subenfriamiento puede llegar a ser de hasta 10ºC por debajo del
punto de congelación.
SB: la temperatura aumenta rápidamente hasta alcanzar el punto de
congelación, pues al formarse los cristales de hielo se libera el calor
latente de congelación a una velocidad superior a la que éste se extrae
del alimento.
BC: el calor se elimina a la misma velocidad que en las fases
anteriores, eliminándose el calor latente con la formación de hielo,
permaneciendo la temperatura prácticamente constante. El incremento de
la concentración de solutos en la fracción de agua no congelada provoca
el descenso del punto de congelación, por lo que la temperatura
disminuye ligeramente. En esta fase es en la que se forma la mayor parte
del hielo.
CD: uno de los solutos alcanza la sobresaturación y cristaliza. La
liberación del latente correspondiente provoca el aumento de la
temperatura hasta la temperatura eutéctica del soluto.
DE: la cristalización del agua y los solutos continúa.
DE: la cristalización del agua y los solutos continúa.
EF: la temperatura de la mezcla de agua y hielo desciende.
En realidad la curva de congelación de los alimentos resulta algo
diferente a la de las soluciones simples, siendo esa diferenciación más
marcada en la medida en que la velocidad a la que se produce la
congelación es mayor.
Principios termodinámicos de la formación del hielo
La temperatura de congelación de un alimento es aquella temperatura a la
que aparecen los primeros cristales de hielo estables. La formación de
un cristal de hielo requiere primeramente de una nucleación. Esta
nucleación puede ser homogénea o heterogénea. Esta última es la más
frecuente en el caso de los alimentos, donde los núcleos se forman sobre
partículas en suspensión o sobre la pared celular.
La cristalización que se origina durante la congelación de un alimento
es la formación de una fase sólida sistemáticamente organizada a partir
de una solución. El proceso de cristalización comprende las etapas de
nucleación y la de crecimiento de los cristales.
La cristalización del hielo se produce cuando el sistema se encuentra lo
suficientemente subenfriado. El subenfriamiento es la diferencia de
temperaturas por debajo del punto inicial de congelación del sistema. La
nucleación es la combinación de moléculas dentro de una partícula
ordenada de tamaño suficiente para sobrevivir sirviendo a su vez de
sitio para el crecimiento cristalino.
El núcleo de hielo formado constituye un embrión de radio r en el que su
energía libre de Gibbs es debida a la contribución superficial,
contraria a la formación del cristal, y a la contribución volumétrica,
favorable a dicha formación. Esto queda contemplado en la siguiente
expresión:
DG = 4p r2 g - ((4p r3 DGv) / 3 Vm )
donde g es la energía libre superficial, DGv es la energía libre molar
asociada con el cambio de fase fluido-sólido y Vm es el volumen molar.
Existirá un radio crítico que corresponderá al más pequeño embrión para
el cual se produce el decremento de su energía libre cuando crece, por
lo tanto es el tamaño mínimo del núcleo estable. La velocidad de
nucleación es altamente dependiente del subenfriamiento, él cual actúa
como la fuerza impulsora para este proceso.
Cuando se han formado los núcleos se produce su crecimiento por adición
de moléculas en la interfase sólido-fluido. La velocidad de
cristalización del hielo queda controlada por los procesos de
transferencia de calor y masa. Las moléculas de agua se mueven desde la
fase líquida a un sitio estable sobre la superficie del cristal. En la
cristalización del hielo, la remoción de calor debido al cambio de fase
constituye el mecanismo determinante de todo el crecimiento de los
cristales.
¿Cómo es la curva de congelación para prevenir la descomposición de los alimentos? ¿Qué normas rigen el tiempo adecuado para la refrigeración de los alimentos?
La duración del período de subenfriamiento depende de las
características del alimento y de la velocidad a la que se remueve el
calor. Si el subenfriamiento resulta marcado se producirá una gran
cantidad de núcleos que originarán cristales pequeños. Cuando la
situación es contraria a la antes descrita se producirán pocos núcleos y
con ello pocos cristales grandes.
Durante la mayor parte de la meseta de congelación (en el tramo BC) la
formación de los cristales de hielo se halla controlada por la
transferencia de calor. La velocidad de transporte de masa controla la
velocidad de crecimiento de los cristales en el final del período de
congelación donde las soluciones remanentes se encuentran más
concentradas.
A medida que la temperatura desciende, se van saturando las diferentes sustancias disueltas, producto de lo cual cristalizan.
La temperatura a la cual el cristal de un soluto se encuentra en
equilibrio con el líquido no congelado y los cristales de hielo es
denominada temperatura eutéctica. Como los alimentos constituyen una
mezcla compleja de sustancias, se emplea el término temperatura
eutéctica final, el cual corresponde a la temperatura eutéctica más baja
de los solutos del alimento. La máxima formación de cristales de hielo
es obtenida a esta temperatura.
Velocidad de congelación.
La calidad de los alimentos congelados se encuentra influenciada por la
velocidad con que se produce la congelación. Diversas características de
calidad están relacionadas con el tamaño de los cristales el cual es
una consecuencia de la velocidad con que se produce la congelación. El
principal efecto de la congelación sobre la calidad de los alimentos es
el daño que ocasiona en las células el crecimiento de los cristales de
hielo. La congelación prácticamente no provoca afectaciones desde el
punto de vista nutritivo.
La resistencia de diversos tejidos animales y vegetales a la congelación
es muy diversa. Así, las frutas y los vegetales, por ejemplo, presentan
una estructura muy rígida por lo que la formación de los cristales de
hielo puede afectarlos con mayor facilidad que a las carnes.
La congelación de los tejidos se inicia por la cristalización del agua
en los espacios extracelulares puesto que la concentración de solutos es
menor que en los espacios intracelulares.
Cuando la congelación es lenta la cristalización extracelular aumenta la
concentración local de solutos lo que provoca, por ósmosis, la
deshidratación progresiva de las células. En esta situación se formarán
grandes cristales de hielo aumentando los espacios extracelulares,
mientras que las células plasmolizadas disminuyen considerablemente su
volumen. Este desplazamiento del agua y la acción mecánica de los
cristales de hielo sobre las paredes celulares provocan afectaciones en
la textura y dan lugar a la aparición de exudados durante la
descongelación.
Cuando la congelación es rápida, la cristalización se produce casi
simultáneamente en los espacios extracelulares e intracelulares. El
desplazamiento del agua es pequeño, produciéndose un gran número de
cristales pequeños. Por todo ello las afectaciones sobre el producto
resultarán considerablemente menores en comparación con la congelación
lenta. No obstante, velocidades de congelación muy elevadas pueden
provocar en algunos alimentos, tensiones internas que pueden causar el
agrietamiento o rotura de sus tejidos.
Existen diversas maneras de definir la velocidad de congelación, siendo
estas: el tiempo característico de congelación, el tiempo nominal de
congelación y la velocidad media de congelación.
¿Cómo afecta la refrigeración la conservación de los alimentos? ¿Cómo modifica el almacenaje de los alimentos su consistencia?
La congelación provoca el aumento de la concentración de los solutos presentes. A pesar del descenso de la temperatura, la velocidad de las reacciones aumenta, de acuerdo con la ley de acción de masas. Este incremento en la velocidad de las reacciones se produce entre –5ºC y –15ºC.
Este incremento en la concentración de los solutos provoca cambios en la
viscosidad, el pH, el potencial redox del líquido no congelado, fuerza
iónica, presión osmótica y tensión superficial, entre otros. La acción
de estos factores asociados al efecto de la desaparición de una parte
del agua líquida, provoca cambios desfavorables en el alimento, siendo
un ejemplo de ello la agregación de las proteínas. Estos efectos pueden
ser limitados cuando el paso a través del citado rango de temperaturas
se realiza de forma rápida. Este rango es denominado como zona de
peligro o zona crítica.
Como el volumen del hielo es superior al del agua líquida, la
congelación de los alimentos provoca una dilatación. Esta dilatación
puede variar en correspondencia con el contenido de agua, la disposición
celular, la concentración de solutos y la temperatura del medio de
congelación.
Estas variaciones que se originan en el volumen provocan tensiones
internas de gran magnitud sobre los tejidos, lo que puede provocar
desgarraduras internas (y hasta la rotura completa de los tejidos
vegetales), lo que origina pérdida de líquido durante la descongelación.
El efecto principal que la congelación ocasiona sobre los alimentos es
el daño que provoca en las células el crecimiento de los cristales de
hielo. Cuando la velocidad de congelación es lenta, los cristales de
hielo crecen en los espacios extracelulares, lo que deforma y rompe las
paredes de las células que los contactan. La presión de vapor de los
cristales de hielo es inferior a la del interior de las células, lo que
provoca la deshidratación progresiva de las células por ósmosis y el
engrosamiento de los cristales de hielo. De esta forma se originan
grandes cristales de hielo y el aumento de los espacios extracelulares.
Las células plasmolizadas disminuyen considerablemente su tamaño. Esta
deshidratación celular disminuye las posibilidades de una nucleación
intracelular. La ruptura de las paredes celulares resulta de la acción
mecánica de los grandes cristales de hielo y del encogimiento excesivo
de las células.
Durante la descongelación, las células son incapaces de recuperar su
forma y turgencia originales, el alimento se reblandece y el material
celular se pierde por goteo. La expulsión de una parte del contenido
celular puede provocar el contacto entre enzimas y sus sustratos que en
ocasiones se encuentran en compartimentos separados. Este es el caso,
por ejemplo, de la polifenoloxidasa y los polifenoles en alimentos no
escaldados previamente, lo que provoca una aceleración del pardeamiento
enzimático durante la descongelación e incluso durante el
almacenamiento.
Modificaciones de los alimentos durante el almacenamiento
Las reacciones de deterioro constituyen afectaciones durante el
almacenaje de los productos congelados. Los cambios químicos y
bioquímicos durante el almacenamiento en congelación son lentos. Si las
enzimas no resultan previamente inactivadas, la rotura de la membrana
celular por los cristales de hielo puede favorecer la acción de éstas.
Entre estos cambios se tienen: degradación de pigmentos, pérdidas
vitamínicas, actividad enzimática residual y oxidación de lípidos.
La recristalización del hielo es un fenómeno que provoca que el tamaño
medio de los cristales debido al crecimiento de los cristales de mayor
tamaño a expensas de los más pequeños, siendo la fuerza impulsora para
este fenómeno la diferencia de energía superficial entre dos cristales
en contacto. Sin embargo, la recristalización migratoria, la cual es la
de mayor incidencia en los alimentos, se produce fundamentalmente como
consecuencia de fluctuaciones en la temperatura de almacenamiento.
Cuando se incrementa la temperatura del producto congelado se produce la
descongelación parcial de los cristales. Si después de ello la
temperatura desciende, la congelación del agua descongelada no provoca
el surgimiento de nuevos núcleos cristalinos, sino el crecimiento de los
cristales ya existentes. Ello provoca una pérdida de calidad en el
producto similar a la que se produciría si la descongelación hubiese
sido lenta.
Tiempo de congelación
El conocimiento del tiempo de congelación es de gran importancia para el
diseño del proceso. Este tiempo es un dato necesario para determinar la
velocidad de refrigeración requerida en relación con la capacidad del
sistema de congelación.
La predicción del tiempo de congelación puede basarse en métodos
numéricos y en métodos aproximados. Los primeros se basan en la solución
de la ecuación diferencial general de energía. Los segundos, llamados
también analíticos, toman en cuenta simplificaciones en la solución de
la ecuación diferencial.
La primera solución aproximada propuesta corresponde a la ecuación de
Plank., la cual toma en consideración una serie de suposiciones. A pesar
de sus limitaciones, esta ecuación ha sido muy utilizada y muchas de
las ecuaciones desarrolladas con posterioridad se basan en la
introducción de modificaciones a la misma.
¿Cómo afecta la refrigeración la conservación de los alimentos? ¿Cómo modifica el almacenaje de los alimentos su consistencia?
Cuando un alimento se descongela, la capa superficial de hielo se funde
formando una capa de agua líquida cuyas propiedades térmicas son
inferiores a las del agua en estado sólido. Como consecuencia de ello,
la velocidad con que se transfiere calor hacia el interior del alimento,
aumentando este efecto aislante en la medida que la capa de alimento
descongelado se incrementa. Es por ello que la descongelación de un
alimento, para igual gradiente de temperatura, es más lenta que su
congelación.
El daño celular provocado por la congelación lenta y la recristalización
originan la pérdida de componentes celulares, lo que se manifiesta como
un exudado en el que se pierden diversos compuestos de valor
nutricional.
La descongelación debe ser concebida de manera que resulten mínimos los
siguientes fenómenos: crecimiento microbiano, pérdida de líquido,
pérdidas por deshidratación y pérdidas por reacciones de deterioro.
La descongelación suele efectuarse a una temperatura ligeramente superior a la del punto de descongelación.
Como se indicó con antelación, el mantenimiento prolongado del producto a
temperaturas ligeramente inferiores a 0ºC resulta desfavorable pues el
producto queda expuesto a concentraciones relativamente altas de solutos
y se favorece el desarrollo de microorganismos psicrófilos.
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