| REFRIGERACI脫N
Y CONGELACI脫N DE ALIMENTOS |
|
Procesos
que provocan el deterioro de los alimentos
Los procesos que provocan el deterioro de los alimentos
son de car谩cter: f铆sico, qu铆mico,
bioqu铆mico y microbiol贸gico.
路
Procesos f铆sicos: entre estos factores el m谩s
destacado es la p茅rdida de agua la cual se produce
cuando el producto almacenado se encuentra directamente
al ambiente de la c谩mara. Junto con el agua se
produce la p茅rdida de componentes vol谩tiles
los que en cantidades casi imponderables condicionan
en gran medida el aroma y el sabor de los productos.
路
Procesos qu铆micos: est谩n dados por reacciones
qu铆micas, pudiendo se帽alarse entre estas
la oxidaci贸n de las grasas, lo cual provoca rancidez
en los productos.
路
Procesos bioqu铆micos: corresponden a las reacciones
de esta naturaleza, pudiendo se帽alarse entra
estas a la acci贸n de las enzimas. Un ejemplo
t铆pico de ello es la acci贸n de la enzima
polifenoloxidasa, la que provoca el oscurecimiento de
los productos.
路
Procesos microbiol贸gicos: est谩n dados
por la acci贸n de los microorganismos pat贸genos
los que provocan el deterioro de los productos.
Para
frenar la acci贸n de estos procesos se buscan
condiciones de almacenaje que retarden el deterioro
de los productos. Entre estas condiciones se encuentran
la temperatura, la humedad relativa, la circulaci贸n
del aire, la composici贸n de la atm贸sfera
de la c谩mara.
De
estas, la temperatura constituye el factor de mayor
incidencia. A medida que la temperatura disminuye todos
los procesos causantes del deterioro se ven disminuidos,
lo que trae como consecuencia la prolongaci贸n
de la vida 煤til de los productos almacenados.
A
medida que la humedad relativa aumenta la evaporaci贸n
disminuye pues el gradiente para la transferencia disminuye,
sin embargo, ello beneficia el desarrollo de los microorganismos.
La humedad relativa podr谩 ser m谩s alta
en la medida en que la temperatura sea m谩s baja.
No
obstante, esta temperatura de conservaci贸n tiene
l铆mites basado en un an谩lisis econ贸mico
as铆 como en la posible influencia sobre el producto.
Cuando
la circulaci贸n del aire aumenta las p茅rdidas
por evaporaci贸n se incrementan lo que a su vez
provoca en los productos una superficie desecada poco
favorable para el desarrollo de los microorganismos.
Refrigeraci贸n.
La refrigeraci贸n consiste en la conservaci贸n
de los productos a bajas temperaturas, pero por encima
de su temperatura de congelaci贸n. De manera general,
la refrigeraci贸n se enmarca entre –1潞C
y 8潞C. De esta forma se consigue que el valor nutricional
y las caracter铆sticas organol茅pticas casi
no se diferencien de las de los productos al inicio
de su almacenaje. Es por esta raz贸n que los productos
frescos refrigerados son considerados por los consumidores
como alimentos saludables.
La
refrigeraci贸n evita el crecimiento de los microorganismos
term贸filos y de muchos mes贸filos.
No
obstante, el que se logre el resultado esperado est谩
en dependencia de otros factores, adem谩s de la
temperatura y las otras condiciones de almacenaje. La
vida 煤til de los vegetales refrigerados depende
de la variedad, parte almacenada, las condiciones de
su recolecci贸n y la temperatura durante su transporte,
entre otras. Para los alimentos procesados depende del
tipo de alimento, intensidad del procesamiento recibido
(fundamentalmente sobre los microorganismos y enzimas),
higiene en la elaboraci贸n y el envasado y del
envase, entre otros.
En
el caso de las frutas la velocidad de respiraci贸n
var铆a con la temperatura. En las frutas de patr贸n
climat茅rico se produce durante su almacenamiento
un incremento brusco de su actividad respiratoria. Entre
estas frutas se cuentan el aguacate, el mango y la papaya.
Las frutas de patr贸n no climat茅rico no
presentan el anterior comportamiento, encontr谩ndose
entre ellas la naranja, la toronja y la pi帽a.
La respiraci贸n de los vegetales es similar a
la de las frutas de patr贸n no climat茅rico.
Cuando
la temperatura de algunas frutas y vegetales desciende
de un determinado valor se producen en ellos cambios
indeseables las cuales son conocidas como da帽os
por fr铆o.
En los tejidos animales, al cesar el suministro de sangre
oxigenada como consecuencia del sacrificio, cesa la
respiraci贸n aer贸bica y se inicia la respiraci贸n
anaer贸bica mediante la cual el gluc贸geno
se transforma en 谩cido l谩ctico provocando
una disminuci贸n del pH, inici谩ndose con
ello un proceso denominado rigor mortis. Como resultado
de este proceso el tejido muscular se endurece haci茅ndose
inextensible. Para que este proceso se desarrolle y
el producto llegue a adquirir la coloraci贸n y
textura adecuadas, el mismo debe desarrollarse en condiciones
de refrigeraci贸n para frenar el desarrollo de
los microorganismos.
La
refrigeraci贸n puede aplicarse sola o en combinaci贸n
con otras t茅cnicas, tales como la irradiaci贸n,
las atm贸sferas modificadas y controladas, el
envasado en atm贸sferas modificadas, entre otras.
La
refrigeraci贸n encuentra gran aplicaci贸n
en la elaboraci贸n de comidas preparadas en los
que se aplican los sistemas de cocci贸n-enfriamiento.
Tiempo
de refrigeraci贸n
La determinaci贸n del tiempo de refrigeraci贸n
constituye un elemento de importancia pr谩ctica,
ya que permite conocer el tiempo necesario para que
un producto alcance una temperatura dada en su centro
t茅rmico partiendo de una temperatura inicial,
una temperatura del medio de enfriamiento, configuraci贸n
geom茅trica, tipo de envase, etc. Este resultado
puede emplearse en el c谩lculo de la carga por
productos correspondiente a la carga t茅rmica.
Una v铆a que puede para la determinaci贸n
de este tiempo lo constituye un m茅todo gr谩fico.
Este se basa en gr谩ficos para cada una de las
formas geom茅tricas sencillas, esferas, paralelep铆pedos
y cilindros, donde se relacionan un factor de temperatura,
el n煤mero de Fourier que relaciona la difusividad
t茅rmica, el tama帽o del producto y el tiempo
de enfriamiento, y el n煤mero de Biot que relaciona
el coeficiente de transferencia de calor, la conductividad
y el espesor del producto.
El
m茅todo antes descrito supone que la transferencia
de calor es unidireccional. Cuando la transferencia
de calor se desarrolla en m谩s de una direcci贸n,
la obtenci贸n del citado tiempo conduce a series
infinitas, quedando demostrada la posibilidad de limitarse
solo al primero de sus t茅rminos. Para el trabajo
pr谩ctico se han preparado tablas y figuras las
que de manera r谩pida y sencilla permite determinar
el tiempo de enfriamiento.
Este
m茅todo se basa en la combinaci贸n de la
transferencia de calor unidireccional desarrollada en
figuras geom茅tricas sencillas como la esfera,
el cilindro y la esfera. As铆, para un cilindro
de longitud finita donde la transferencia de calor se
efect煤e en los sentidos radial y longitudinal,
el m茅todo combina la soluci贸n del cilindro
para el primero y la l谩mina para el segundo.
En el caso de un paralelep铆pedo se combina las
soluciones correspondientes a tres l谩minas.
Este
煤ltimo brindar谩 resultados m谩s
precisos en la medida que la figura geom茅trica
se acerca m谩s a una figura regular. Se ilustra
la aplicaci贸n de estos m茅todos a diferentes
sistemas.
Caracter铆sticas
del agua
El agua es el constituyente m谩s abundante en
la mayor铆a de los alimentos en estado natural
por lo que desempe帽a un papel esencial en la
estructura y dem谩s 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 煤ltima puede estar
m谩s 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
depender谩 su aptitud para el deterioro.
El agua constituye un disolvente para las numerosas
especies qu铆micas que pueden difundirse y reaccionar
entre ellas. El agua tambi茅n puede difundirse
y participar en diversas reacciones, especialmente las
de hidr贸lisis. La introducci贸n en el agua
de distintas especies qu铆micas en soluci贸n
o en suspensi贸n coloidal da lugar a las denominadas
propiedades coligativas, las cuales dependen del n煤mero
de mol茅culas presentes. En tal sentido pueden
citarse el descenso de la presi贸n de vapor, elevaci贸n
del punto de ebullici贸n, descenso del punto de
congelaci贸n, descenso de la tensi贸n superficial,
aumento de la viscosidad y gradientes de presi贸n
osm贸tica a trav茅s de membranas semipermeables,
entre otras. Estas propiedades determinan el comportamiento
de los alimentos.
Las mol茅culas del agua en el estado s贸lido
est谩n ligadas entre s铆 por enlaces hidr贸geno,
lo que da origen a la formaci贸n de pol铆meros
de estructura cristalina en el que cada mol茅cula
est谩 unida a otras cuatro.
Los diversos agentes influyen de modo diferente sobre
la estructura del agua. As铆, por ejemplo, los
electrolitos como Na+, K+, Cl-, fuertemente hidratados
en soluci贸n disminuyen el n煤mero de enlaces
de hidr贸geno entre las mol茅culas de agua.
Las sustancias en soluci贸n capaces de formar
enlaces de hidr贸geno por si mismas pueden modificar
la asociaci贸n entre las mol茅culas de agua
de acuerdo con su compatibilidad geom茅trica con
la red existente.
El agua a su vez modifica propiedades tales como la
estructura, difusi贸n, reactividad, etc., de las
sustancias en soluci贸n.
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 presi贸n
parcial del vapor del vapor de agua:
aw = pw / po
donde pw es la presi贸n parcial del vapor de agua
del alimento y po es la presi贸n de vapor del
agua pura a la misma temperatura.
La actividad de agua constituye una medida relativa
con respecto a un estado est谩ndar tomado como
comparaci贸n. El estado est谩ndar escogido
es el del agua pura al 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
los especies qu铆micas presentes disminuyen la
capacidad de vaporizaci贸n del agua.
Congelaci贸n
Esta aplicaci贸n de las bajas temperaturas se
distingue porque la temperatura del alimento se reduce
por debajo de la de su punto de congelaci贸n,
producto de lo cual una fracci贸n elevada del
agua contenida en aquel cambia de estado f铆sico
formando cristales de hielo. Esta inmovilizaci贸n
del agua en forma de hielo y el incremento en la concentraci贸n
de los solutos en el agua no congelada provoca la reducci贸n
de la actividad del agua del alimento. Por tanto, la
conservaci贸n del alimento por esta v铆a
es la consecuencia de la acci贸n combinada de
las bajas temperaturas y la disminuci贸n en su
actividad de agua.
No toda el agua presente en el alimento puede separarse
en forma de cristales como consecuencia de la congelaci贸n.
En el alimento existe una fracci贸n 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 –30潞C.
Se considera que esta agua se encuentra formando una
capa monomolecular fija a los grupos polares tales como
NH3 y COO- de las prote铆nas y los grupos HO-
de loa 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 dif铆cil 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 espont谩neamente
de los tejidos. Esta agua se encuentra en forma de geles
tanto en el interior de la c茅lula como en los
espacios intercelulares, estando su retenci贸n
influenciada por el pH y las fuerzas i贸nicas.
Durante la congelaci贸n el agua es removida de
su posici贸n normal dentro de los tejidos y convertida
en hielo. Este proceso es parcialmente revertido durante
la descongelaci贸n dando lugar a la formaci贸n
de exudado. El incremento en la concentraci贸n
de los contenidos celulares puede procesos indeseables
en los productos.
Curva
de congelaci贸n.
El proceso de congelaci贸n en los alimentos es
m谩s complejo que la congelaci贸n del agua
pura. Los alimentos al contener otros solutos disueltos
adem谩s de agua, presentan un comportamiento ante
la congelaci贸n similar al de las soluciones
La evoluci贸n de la temperatura con el tiempo
durante el proceso de congelaci贸n es denominada
curva de congelaci贸n. La curva de congelaci贸n
t铆pica de una soluci贸n se muestra en la
siguiente figura.
Esta
curva posee las siguientes secciones:
AS: el alimento se enfr铆a por debajo de su punto
de congelaci贸n qf inferior a 0潞C. En el
punto S, al que corresponde una temperatura inferior
al punto de congelaci贸n, el agua permanece en
estado l铆quido. Este subenfriamiento puede llegar
a ser de hasta 10潞C por debajo del punto de congelaci贸n.
SB: la temperatura aumenta r谩pidamente hasta
alcanzar el punto de congelaci贸n, pues al formarse
os cristales de hielo se libera el calor latente de
congelaci贸n a una velocidad superior a la que
este se extrae del alimento.
BC: el calor se elimina a la misma velocidad que en
las fases anteriores, elimin谩ndose el calor latente
con la formaci贸n de hielo, permaneciendo la temperatura
pr谩cticamente constante. El incremento de la
concentraci贸n de solutos en la fracci贸n
de agua no congelada provoca el descenso del punto de
congelaci贸n, por lo que la temperatura disminuye
ligeramente. En esta fase es en la que se forma la mayor
parte del hielo.
CD: uno de os solutos alcanza la sobresaturaci贸n
y cristaliza. La liberaci贸n del latente correspondiente
provoca el aumento de la temperatura hasta la temperatura
eut茅ctica del soluto.
DE: la cristalizaci贸n del agua y los solutos
contin煤a.
EF: la temperatura de la mezcla de agua y hielo desciende.
En realidad la curva de congelaci贸n de los alimentos
resulta algo diferente a la de las soluciones simples,
siendo esa diferenciaci贸n m谩s marcada
en la medida en que la velocidad a la que se produce
la congelaci贸n es mayor.
Principios
termodin谩micos de la formaci贸n del hielo.
La temperatura de congelaci贸n de un alimento
es aquella temperatura a la que aparecen los primeros
cristales de hielo estables. La formaci贸n de
un cristal de hielo requiere primeramente de una nucleaci贸n.
Esta nucleaci贸n puede ser homog茅nea o
heterog茅nea. Esta 煤ltima es la m谩s
frecuente en el caso de los alimentos, donde los n煤cleos
se forman sobre part铆culas en suspensi贸n
o sobre la pared celular.
La cristalizaci贸n que se origina durante la congelaci贸n
de un alimento es la formaci贸n de una fase s贸lida
sistem谩ticamente organizada a partir de una soluci贸n.
El proceso de cristalizaci贸n comprende las etapas
de nucleaci贸n y la de crecimiento de los cristales.
La cristalizaci贸n 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 congelaci贸n del
sistema. La nucleaci贸n es la combinaci贸n
de mol茅culas dentro de una part铆cula ordenada
de tama帽o suficiente para sobrevivir sirviendo
a su vez de sitio para el crecimiento cristalino.
El n煤cleo de hielo formado constituye un embri贸n
de radio r en el que su energ铆a libre de Gibbs
es debida a la contribuci贸n superficial, contraria
a la formaci贸n del cristal, y ala contribuci贸n
volum茅trica, favorable a dicha formaci贸n.
Esto queda contemplado en la siguiente expresi贸n:
DG = 4p r2 g - ((4p r3 DGv) / 3 Vm )
donde g es la energ铆a libre superficial, DGv
es la energ铆a libre molar asociada con el cambio
de fase fluido-s贸lido y Vm es el volumen molar.
Existir谩 un radio cr铆tico que corresponder谩
al m谩s peque帽o embri贸n para el
cual se produce el decremento de su energ铆a libre
cuando crece, por lo tanto es el tama帽o m铆nimo
del n煤cleo estable. La velocidad de nucleaci贸n
es altamente dependiente del subenfriamiento, el cual
act煤a como la fuerza impulsora para este proceso.
Cuando se han formado los n煤cleos se produce
su crecimiento por adici贸n de mol茅culas
en la interfase s贸lido-fluido. La velocidad de
cristalizaci贸n del hielo queda controlada por
los procesos de transferencia de calor y masa. Las mol茅culas
de agua se mueven desde la fase l铆quida a un
sitio estable sobre la superficie del cristal. En la
cristalizaci贸n del hielo, la remoci贸n
de calor debido al cambio de fase constituye el mecanismo
determinante de todo el crecimiento de los cristales.
La duraci贸n del per铆odo de subenfriamiento
depende de las caracter铆sticas del alimento y
de la velocidad a la que se remueve el calor. Si el
subenfriamiento resulta marcado se producir谩
una gran cantidad de n煤cleos que originaran cristales
peque帽os. Cuando la situaci贸n es contraria
a la antes descrita se producir谩n pocos n煤cleos
y con ello pocos cristales grandes.
Durante la mayor parte de la meseta de congelaci贸n
(en el tramo BC de la figura anterior) la formaci贸n
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 per铆odo de congelaci贸n
donde las soluciones remanentes se encuentran m谩s
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 l铆quido no congelado
y los cristales de hielo, es denominada temperatura
eut茅ctica. Como los alimentos constituyen una
mezcla compleja de sustancias, se emplea el t茅rmino
temperatura eut茅ctica final, el cual corresponde
a la temperatura eut茅ctica m谩s baja de
los solutos del alimento. La m谩xima formaci贸n
de cristales de hielo es obtenida a esta temperatura.
Velocidad
de congelaci贸n.
La calidad de los alimentos congelados se encuentra
influenciada por la velocidad con que se produce la
congelaci贸n. Diversas caracter铆sticas
de calidad est谩n relacionadas con el tama帽o
de los cristales el cual es una consecuencia de la velocidad
con que se produce la congelaci贸n. El principal
efecto de la congelaci贸n sobre la calidad de
los alimentos es el da帽o que ocasiona en las
c茅lulas el crecimiento de los cristales de hielo.
La congelaci贸n pr谩cticamente no provoca
afectaciones desde el punto de vista nutritivo.
La resistencia de diversos tejidos animales y vegetales
a la congelaci贸n es muy diversa. As铆,
las frutas y los vegetales, por ejemplo, presentan una
estructura muy r铆gida por lo que la formaci贸n
de los cristales de hielo puede afectarlos con mayor
facilidad que a las carnes.
La congelaci贸n de los tejidos se inicia por la
cristalizaci贸n del agua en los espacios extracelulares
puesto que la concentraci贸n de solutos es menor
que en los espacios intracelulares.
Cuando la congelaci贸n es lenta la cristalizaci贸n
extracelular aumenta la concentraci贸n local de
solutos lo que provoca, por 贸smosis, la deshidrataci贸n
progresiva de las c茅lulas. En esta situaci贸n
se formar谩n grandes cristales de hielo aumentando
los espacios extracelulares, mientras que las c茅lulas
plasmolizadas disminuyen considerablemente su volumen.
Este desplazamiento del agua y la acci贸n mec谩nica
de los cristales de hielo sobre las paredes celulares
provocan afectaciones en la textura y dan lugar a la
aparici贸n de exudados durante la descongelaci贸n.
Cuando la congelaci贸n es r谩pida la cristalizaci贸n
se produce casi simult谩neamente en los espacios
extracelulares e intracelulares. El desplazamiento del
agua es peque帽o, produci茅ndose un gran
n煤mero de cristales peque帽os. Por todo
ello las afectaciones sobre el producto resultaran considerablemente
menores en comparaci贸n con la congelaci贸n
lenta. No obstante, velocidades de congelaci贸n
muy elevadas pueden provocar en algunos alimentos, tensiones
internas que pueden causar el agrietamiento o rotura
de sus tejidos.
Existen diversa maneras de definir la velocidad de congelaci贸n
siendo estas: el tiempo caracter铆stico de congelaci贸n,
el tiempo nominal de congelaci贸n y la velocidad
media de congelaci贸n.
Modificaciones de los alimentos durante la congelaci贸n.
La congelaci贸n provoca el aumento de la concentraci贸n
de los solutos presentes. A pesar del descenso de la
temperatura, la velocidad de las reacciones aumenta,
a pesar de la disminuci贸n de la temperatura de
acuerdo con la ley de acci贸n de masas. Este incremento
en la velocidad de las reaccione se produce entre –5潞C
y –15潞C.
Este incremento en la concentraci贸n de los solutos
provoca cambios en la viscosidad, el pH, el potencial
redox del l铆quido no congelado, fuerza i贸nica,
presi贸n osm贸tica y tensi贸n superficial,
entre otros. La acci贸n de estos factores asociados
al efecto de la desaparici贸n de una parte del
agua l铆quida, provoca cambios desfavorables en
el alimento, siendo un ejemplo de ello la agregaci贸n
de las prote铆nas. Estos efectos pueden ser limitados
cuando el paso a trav茅s del citado rango de temperaturas
se realiza de forma r谩pida. Este rango es denominado
como zona de peligro o zona cr铆tica.
Como el volumen del hielo es superior al del agua l铆quida,
la congelaci贸n de los alimentos provoca una dilataci贸n.
Esta dilataci贸n puede variar en correspondencia
con el contenido de agua, la disposici贸n celular,
la concentraci贸n de solutos y la temperatura
del medio de congelaci贸n.
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
originan p茅rdida de l铆quido durante la
descongelaci贸n.
El efecto principal que la congelaci贸n ocasiona
sobre los alimentos es el da帽o que provoca en
las c茅lulas el crecimiento de los cristales de
hielo. Cuando la velocidad de congelaci贸n es
lenta, los cristales de hielo crecen en los espacios
extracelulares, lo que deforma y rompe las paredes de
las c茅lulas que los contactan. La presi贸n
de vapor de los cristales de hielo es inferior a la
del interior de las c茅lulas, lo que provoca la
deshidrataci贸n progresiva de las c茅lulas
por 贸smosis 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 c茅lulas plasmolizadas disminuyen
