La conservación de alimentos mediante congelación se produce debido a

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1 CONGELACIÓN DE ALIMENTOS. 1 INTRODUCCIÓN. La conservación de alimentos mediante congelación se produce debido a diferentes mecanismos. La reducción de la temperatura del producto a niveles por debajo de 0ºC produce un descenso significativo en la velocidad de crecimiento de microorganismos y, por lo tanto, en el deterioro del producto debido a la actividad microbiana. La misma influencia de la temperatura puede aplicarse a la mayoría de las reacciones que pudieran ocurrir en el producto tanto enzimáticas como de oxidación. Además la formación de cristales de hielo dentro del producto disminuye la disponibilidad del agua para participar en dichas reacciones. La congelación como medio de conservación produce generalmente un producto de alta calidad para el consumo, aunque dicha calidad depende finalmente tanto del proceso de congelación realizado como de las condiciones de almacenamiento del producto congelado. La velocidad de congelación o tiempo necesario para que la temperatura del producto disminuya hasta alcanzar valores inferiores a la temperatura inicial de congelación influirá en la calidad del producto, aunque de diferente manera dependiendo del tipo de alimento. Algunos alimentos necesitan una congelación rápida (cortos tiempos de congelación) con el fin de asegurar la formación de cristales de hielo de pequeño tamaño dentro de la estructura del alimento, ocasionando el mínimo daño en la textura del producto. Sin embargo, otros productos no se ven afectados por los cambios estructurales producidos durante la congelación y no son justificables los costes añadidos asociados a una congelación rápida. Además existen otros productos que debido a su configuración geométrica o tamaño no permiten una congelación rápida. Por otro lado, las condiciones de temperatura existentes durante el 1

2 almacenamiento influyen de manera significativa en la calidad final de los alimentos congelados. Cualquier aumento de temperatura durante el almacenamiento reduce la calidad, y variaciones en dicha temperatura pueden afectar severamente la calidad final del producto. Se deduce de los comentarios anteriores que el proceso de congelación óptimo dependerá de las características del producto. Como consecuencia de todo ello, existen numerosos sistemas de congelación, cada uno de ellos diseñado para alcanzar la congelación del producto de la forma más eficiente y preservando al máximo su calidad. Debe destacarse la importancia del tiempo de residencia en el sistema de congelación, así como la necesidad de una correcta predicción del tiempo de congelación. 2 SISTEMAS DE CONGELACIÓN. Para congelar un alimento, el producto debe exponerse a un medio de baja temperatura durante el tiempo suficiente para eliminar los calores sensible y latente de fusión del producto. La eliminación de estos calores produce una disminución de la temperatura del producto así como la transformación del agua de su estado líquido al estado sólido. El proceso de congelación puede lograrse mediante sistemas de contacto directo o indirecto. En la mayoría de los casos, el tipo de sistema utilizado dependerá de las características del producto, tanto antes de la congelación como después de ella. Existe una gran variedad de circunstancias que hacen prácticamente imposible la utilización de un contacto directo entre el producto y el medio refrigerante Sistemas de contacto indirecto. En numerosos sistemas de congelación de alimentos, el producto y el refrigerante están separados por una barrera durante todo el proceso de congelación. Aunque muchos sistemas utilizan una barrera impermeable entre el producto y el refrigerante, se considera incluido dentro de los sistemas de congelación indirecta cualquier sistema de contacto que no sea directo, por ejemplo aquellos donde el material del envase hace de barrera. a) Congeladores de placas: es el sistema de congelación indirecta más común. El producto se congela mientras se mantiene entre dos placas refrigeradas. En la mayoría de los casos la barrera entre el producto y el refrigerante incluirá tanto a la placa como el material del envase. La transmisión de calor a través de la barrera puede aumentarse mediante la utilización de presión. Los sistemas de congelación de placas pueden operar tanto de modo discontinuo como de modo continuo. b) Congeladores por corriente de aire: en muchas situaciones, el tamaño y/o la forma del producto hacen que el congelador de placas no sea práctico, pudiendo utilizarse alternativamente los sistemas de congelación por corriente de aire. En estos casos, el envase supone la barrera para la congelación indirecta siendo la fuente de 2

3 la refrigeración una corriente de aire frío. Los congeladores por corriente de aire pueden ser de un diseño simple, como es el caso de una habitación refrigerada. Esta supone una operación discontinua y la habitación refrigerada puede actuar como almacén además de como compartimento de congelación. En esta situación los tiempos de congelación serán altos debido a las bajas velocidades del aire alrededor del producto, la imposibilidad de alcanzar un buen contacto entre el producto y el aire frío y los menores gradientes de temperatura existentes entre el producto y el aire. Sin embargo, la mayoría de los congeladores por corriente de aire son continuos. En estos sistemas, el producto se coloca sobre una cinta transportadora que se mueve a través de una corriente de aire que circula a elevada velocidad. El tiempo de congelación o de residencia viene determinado por la longitud y velocidad de la cinta transportadora. Estos tiempos pueden ser relativamente pequeños si se utiliza aire a muy baja temperatura, altas velocidades de aire y un buen contacto entre el producto y el aire frío. c) Congeladores para alimentos líquidos: en la mayoría de los casos la forma más eficaz de retirar la energía térmica de un alimento líquido puede lograrse antes del envasado. El tipo más utilizado es el sistema de superficie rascada, aunque podría utilizarse cualquier cambiador de calor indirecto diseñado para líquidos. En la congelación de alimentos líquidos, el tiempo de residencia del producto en el compartimento de congelación es el suficiente para reducir su temperatura varios grados por debajo de la temperatura inicial de formación de cristales. Los sistemas de congelación para alimentos líquidos pueden operar de forma continua o discontinua Sistemas de contacto directo. Existen varios sistemas de congelación que operan por medio del contacto directo entre el refrigerante y el producto. En la mayoría de las ocasiones, estos sistemas operarán más eficazmente si no existen barreras a la transmisión de calor entre el refrigerante y el producto. Los refrigerantes que se utilizan en estos sistemas pueden ser aire a baja temperatura y altas velocidades o líquidos refrigerantes que cambian de fase en contacto con la superficie del producto. En cualquier caso, los sistemas se diseñan para alcanzar una rápida congelación, aplicándose el término de congelación rápida individual (en inglés, individual quick freezing), IQF. a) Corriente de aire: una forma de IQF, cuando el producto es de pequeño tamaño, consiste en la utilización de corrientes de aire a bajas temperaturas y altas velocidades que entran en contacto directo con el producto. La combinación de aire a bajas temperaturas, elevados coeficientes de transmisión de calor por convección (alta velocidad del aire) y el pequeño tamaño del producto permiten la rápida congelación del mismo. Los tipos de producto que pueden congelarse en estos sistemas se limitan a aquellos de geometría apropiada y que necesitan una rápida congelación para alcanzar la máxima calidad. b) Inmersión: La superficie exterior del producto puede alcanzar temperaturas muy bajas sumergiendo el alimento dentro de un refrigerante líquido. Si el tamaño del producto es relativamente pequeño, el proceso de congelación se alcanza rápidamente en condiciones IQF. Para algunos alimentos concretos, con este sistema se consiguen menores tiempos de congelación que cuando se utilizan corrientes de aire o sistemas de lecho fluidizado. El proceso consiste en introducir el producto en un baño de líquido refrigerante y se transporta a su través, mientras que el líquido refrigerante se evapora absorbiendo calor del producto. Los refrigerantes más comunes son el nitrógeno, el dióxido de carbono y el Freón. 3

4 Una de las mayores desventajas de los sistemas de congelación por inmersión es el costo del refrigerante, ya que éste pasa del estado líquido a vapor mientras se produce la congelación del producto, resultando muy difícil recuperar los vapores que se escapan del compartimento. 3 PROPIEDADES DE LOS ALIMENTOS CONGELADOS. El proceso de congelación produce un drástico cambio en las propiedades térmicas de los alimentos. Las propiedades de los alimentos cambian debido a la pérdida de agua que experimentan así como al efecto que el cambio de fase produce en el agua. Cuando el agua dentro del producto pasa al estado sólido también cambian de forma gradual propiedades como la densidad, la conductividad térmica, la entalpía y el calor específico aparente del producto Densidad. La densidad del agua en estado sólido es menor que en estado líquido. La densidad de un alimento congelado será, por tanto, menor que la del producto no congelado, existiendo una dependencia con la temperatura. El cambio gradual en la densidad se debe al cambio gradual en la proporción de agua congelada en función de la temperatura. El cambio de densidad es proporcional a la humedad del producto Conductividad térmica. La conductividad térmica del hielo es aproximadamente 4 veces superior a la del agua líquida. Esta relación tiene un efecto similar sobre la conductividad térmica del alimento congelado. La mayor parte del aumento producido en la conductividad térmica tiene lugar en el intervalo por debajo de la temperatura inicial de congelación del producto. Si el producto contiene una estructura fibrosa, la conductividad térmica será menor cuando se mida en la dirección perpendicular a las fibras Entalpía. La entalpía de un alimento congelado es una propiedad importante a la hora de realizar los cálculos de la refrigeración necesaria para la congelación del producto Calor específico aparente. En base a la definición de calor específico aparente de un producto alimentario depende de la temperatura. El calor específico de un alimento congelado a temperaturas 20ºC por debajo del punto inicial de congelación o inferiores no difiere significativamente del calor específico del producto sin congelar. 4 TIEMPO DE CONGELACIÓN. El tiempo de congelación, junto con la selección de un adecuado sistema de congelación, es un factor crítico para asegurar la óptima calidad del producto. El tiempo de congelación requerido para un producto establece la capacidad del sistema, además de influir de forma directa en la calidad del mismo. El método utilizado para calcular los tiempos de congelación es decisivo a la hora de seleccionar el sistema de congelación más adecuado para cada producto Ecuación de Planck. La primera ecuación, y la más utilizada, para calcular tiempos de congelación fue propuesta por Planck(1913) y posteriormente adaptada al caso de alimentos por Ede (1949). La ecuación es: 4

5 donde es obvio que el tiempo de congelación tf aumentará cuando aumente la densidad, el calor latente de fusión HL y la dimensión característica a. Por otro lado, el tiempo de congelación disminuirá al aumentar el gradiente de temperatura, el coeficiente de transmisión de calor por convección hc y la conductividad térmica k del producto congelado. Las constantes P y R se utilizan para considerar el efecto de la forma del producto. La dimensión a es la anchura del producto para una lámina infinita, el diámetro para un cilindro infinito y el diámetro para una esfera. Las limitaciones de la ecuación de la ecuación de Planck se deben principalmente al desconocimiento de los valores de los diferentes componentes de la ecuación. Los valores de densidad de alimentos congelados son difíciles de obtener o de medir. En la mayoría de las ocasiones, los calores latentes de fusión se consideran como el producto del calor latente del agua por el contenido en agua del producto alimentario. Aunque la temperatura de congelación inicial se encuentra tabulada para muchos alimentos, las temperaturas inicial y final del producto no se tienen en cuenta en los cálculos del tiempo de congelación. Además, no es sencillo encontrar valores precisos de la conductividad térmica k de muchos de los productos congelados. Sin embargo, a pesar de todos estos inconvenientes la ecuación de Planck sigue siendo la más utilizada para calcular tiempos de congelación. Los demás métodos empíricos existentes son modificaciones de la ecuación de Planck surgidos con el fin de evitar algunas de sus limitaciones Medidas experimentales. Las medidas experimentales se utilizan cuando se necesita verificar tiempos de congelación o cuando su cálculo resulta extremadamente difícil. Estos experimentos se diseñan con el fin de simular lo más fehacientemente posible las condiciones reales, de tal manera que sea posible medir la evolución de la temperatura al menos en un punto, hasta que el proceso de congelación ha finalizado Factores que influyen en el tiempo de congelación. Existen varios factores que influyen en el tiempo de congelación que influirán en el diseño del equipo utilizado para la congelación de los alimentos. Uno de estos factores es la temperatura del medio de congelación, de tal manera que los tiempos de congelación disminuirán de manera significativa cuanto menor sea ésta. De acuerdo con la ecuación de Planck, el tamaño del producto afectará directamente al tiempo de congelación, aunque este factor no puede ser utilizado para modificar dichos tiempos, ya que también dependen de la forma del producto. El parámetro que más influye en el tiempo de congelación es el coeficiente de transmisión de calor por convección hc. Este parámetro puede utilizarse para variar los tiempos de congelación mediante modificaciones en el diseño del equipo, debiendo analizarse cuidadosamente su influencia. Las propiedades del producto (TF,, k) influirán en los cálculos según lo indicado en la ecuación de Planck. 4.4 Velocidad de congelación. La velocidad de congelación (ºC/h) de un producto o envase se define como la diferencia entre la temperatura inicial y final dividida entre el tiempo de congelación. Teniendo en cuenta que la temperatura puede variar de diferente manera durante la congelación en distintos puntos del producto, se ha definido una velocidad local de congelación para un determinado punto, como la diferencia entre la temperatura inicial y la temperatura deseada dividida entre el tiempo transcurrido hasta que dicha temperatura se alcanza en dicho punto. 5

6 5 ALMACENAMIENTO DE ALIMENTOS CONGELADOS. Aunque la eficacia de la congelación de alimentos depende directamente del proceso de congelación, la calidad del alimento congelado varía significativamente en función de las condiciones de almacenamiento. La temperatura de almacenamiento de los alimentos congelados es una variable muy importante ya que la influencia de aquellos factores que reducen la calidad del producto es menor cuanto menor es la temperatura. Sin embargo, en realidad deben utilizarse las menores temperaturas posibles que permitan alargar la vida del producto sin consumir energía de refrigeración que resulte ineficaz. El factor más importante que influye sobre la calidad de los alimentos congelados son las fluctuaciones en la temperatura de almacenamiento. La vida de los alimentos congelados se reduce significativamente si se ven expuestos a variaciones de la temperatura de almacenamiento, que produce cambios en la temperatura del producto Cambios en la calidad de los alimentos congelados durante su almacenamiento. Un término normalmente utilizado para describir la duración de almacenamiento de alimentos congelados es la vida práctica de almacenamiento (en inglés, practical storage life, PSL). La vida práctica de almacenamiento es el periodo de almacenamiento, una vez congelado, durante el cual el producto mantiene sus propiedades características y permanece apto para el consumo u otras posibles utilizaciones. La temperatura típica de almacenamiento de alimentos comerciales es de 18ºC. Sin embargo, para alimentos marinos se aconseja utilizar temperaturas inferiores con el fin de mantener la calidad. Otro término que se utiliza normalmente para definir la vida de almacenamiento de los alimentos congelados es la vida de alta calidad (en inglés, high quality life, HQL). Tal como está definida, la HQL es el tiempo transcurrido entre la congelación de un producto de alta calidad y el momento en que, por valoración sensorial, se observa una diferencia estadísticamente significativa (P<0.01) con respecto a la alta calidad inicial (inmediatamente después de la congelación). La diferencia observada se define como diferencia apenas advertida (en inglés, just noticeable difference, JND). En un test triangular realizado para detectar sensorialmente la calidad de un producto, la diferencia apenas advertida se alcanza cuando el 70% de los catadores distingue satisfactoriamente el producto de la muestra, la cual se ha almacenado en condiciones tales que no existe degradación del producto durante el periodo considerado. La temperatura típica utilizada para los experimentos de control es de 35ºC. ÍNDICE: PAG 1 INTRODUCCIÓN. 1 2 SISTEMAS DE CONGELACIÓN Sistemas de contacto indirecto Sistemas de contacto directo. 5 3 PROPIEDADES DE LOS ALIMENTOS CONGELADOS Densidad. 6 6

7 3.2. Conductividad térmica Entalpía Calor específico aparente. 7 4 TIEMPO DE CONGELACIÓN Ecuación de Planck Medidas experimentales Factores que influyen en el tiempo de congelación Velocidad de congelación ALMACENAMIENTO DE ALIMENTOS CONGELADOS Cambios en la calidad de los alimentos congelados 11 durante su almacenamiento. BIBLIOGRAFÍA: Introduccion a la ingeniería de los alimentos, R. Paul Singh Dennis R. Heldman, Editorial Acribia, S.A. CONGELACIÓN DE ALIMENTOS. 7