| REFRIGERACIÓN
Y CONGELACIÓN DE ALIMENTOS |
|
Procesos
que provocan el deterioro de los alimentos
Los procesos que provocan el deterioro de los alimentos
son de carácter: físico, químico,
bioquímico y microbiológico.
·
Procesos físicos: entre estos factores el más
destacado es la pérdida de agua la cual se produce
cuando el producto almacenado se encuentra directamente
al ambiente de la cámara. Junto con el agua se
produce la pérdida de componentes volátiles
los que en cantidades casi imponderables condicionan
en gran medida el aroma y el sabor de los productos.
·
Procesos químicos: están dados por reacciones
químicas, pudiendo señalarse entre estas
la oxidación de las grasas, lo cual provoca rancidez
en los productos.
·
Procesos bioquímicos: corresponden a las reacciones
de esta naturaleza, pudiendo señalarse entra
estas a la acción de las enzimas. Un ejemplo
típico de ello es la acción de la enzima
polifenoloxidasa, la que provoca el oscurecimiento de
los productos.
·
Procesos microbiológicos: están dados
por la acción de los microorganismos patógenos
los que provocan el deterioro de los productos.
Para
frenar la acción 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 circulación
del aire, la composición de la atmósfera
de la cámara.
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 prolongación
de la vida útil de los productos almacenados.
A
medida que la humedad relativa aumenta la evaporación
disminuye pues el gradiente para la transferencia disminuye,
sin embargo, ello beneficia el desarrollo de los microorganismos.
La humedad relativa podrá ser más alta
en la medida en que la temperatura sea más baja.
No
obstante, esta temperatura de conservación tiene
límites basado en un análisis económico
así como en la posible influencia sobre el producto.
Cuando
la circulación del aire aumenta las pérdidas
por evaporación se incrementan lo que a su vez
provoca en los productos una superficie desecada poco
favorable para el desarrollo de los microorganismos.
Refrigeración.
La refrigeración consiste en la conservación
de los productos a bajas temperaturas, pero por encima
de su temperatura de congelación. De manera general,
la refrigeración se enmarca entre –1ºC
y 8ºC. De esta forma se consigue que el valor nutricional
y las características organolépticas casi
no se diferencien de las de los productos al inicio
de su almacenaje. Es por esta razón que los productos
frescos refrigerados son considerados por los consumidores
como alimentos saludables.
La
refrigeración evita el crecimiento de los microorganismos
termófilos y de muchos mesófilos.
No
obstante, el que se logre el resultado esperado está
en dependencia de otros factores, además de la
temperatura y las otras condiciones de almacenaje. La
vida útil de los vegetales refrigerados depende
de la variedad, parte almacenada, las condiciones de
su recolección 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 elaboración y el envasado y del
envase, entre otros.
En
el caso de las frutas la velocidad de respiración
varía con la temperatura. En las frutas de patrón
climatérico 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 patrón no climatérico no
presentan el anterior comportamiento, encontrándose
entre ellas la naranja, la toronja y la piña.
La respiración de los vegetales es similar a
la de las frutas de patrón no climatérico.
Cuando
la temperatura de algunas frutas y vegetales desciende
de un determinado valor se producen en ellos cambios
indeseables las cuales son conocidas como daños
por frío.
En los tejidos animales, al cesar el suministro de sangre
oxigenada como consecuencia del sacrificio, cesa la
respiración aeróbica y se inicia la respiración
anaeróbica mediante la cual el glucógeno
se transforma en ácido láctico provocando
una disminución del pH, iniciándose con
ello un proceso denominado rigor mortis. Como resultado
de este proceso el tejido muscular se endurece haciéndose
inextensible. Para que este proceso se desarrolle y
el producto llegue a adquirir la coloración y
textura adecuadas, el mismo debe desarrollarse en condiciones
de refrigeración para frenar el desarrollo de
los microorganismos.
La
refrigeración puede aplicarse sola o en combinación
con otras técnicas, tales como la irradiación,
las atmósferas modificadas y controladas, el
envasado en atmósferas modificadas, entre otras.
La
refrigeración encuentra gran aplicación
en la elaboración de comidas preparadas en los
que se aplican los sistemas de cocción-enfriamiento.
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 para la determinación
de este tiempo lo 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
solo al primero de sus términos. Para el trabajo
práctico se han preparado tablas y figuras las
que de manera rápida y sencilla permite 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,
el cilindro y la esfera. 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. Se ilustra
la aplicación de estos métodos a diferentes
sistemas.
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 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 si mismas 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 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 químicas presentes disminuyen la
capacidad de vaporización del agua.
Congelación
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 se encuentra formando una
capa monomolecular fija a los grupos polares tales como
NH3 y COO- de las proteínas 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 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 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. La curva de congelación
típica de una solución se muestra en la
siguiente figura.
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
os cristales de hielo se libera el calor latente de
congelación 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, 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 os 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.
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 ala 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, el 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.
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 originaran 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 de la figura anterior) 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 resultaran 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 diversa 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.
Modificaciones de los alimentos durante la congelación.
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,
a pesar de la disminución de la temperatura de
acuerdo con la ley de acción de masas. Este incremento
en la velocidad de las reaccione 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
originan 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
y 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 estas. 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.
Descongelación.
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.
