Recibido: 23 de noviembre de 2018
Aceptado: 06 de junio de 2019
La refrigeración y la congelación son procesos tradicionalmente utilizados en la conservación de alimentos. En el caso del açaí, una fruta brasilera, estas tecnologías corresponden a los métodos más empleados por la industria. La aplicación de modelos teóricos para la predicción de tiempos y temperaturas de congelación permite mantener un control eficaz de dicha operación. El objetivo de este trabajo fue estimar y evaluar el tiempo, temperatura y velocidad de dos procesos de congelación para pulpa de açaí, tanto convencional como criogénico. El tiempo de congelación convencional para el producto fue 153,68 ± 6,42 min, con mínimo error respecto a las ecuaciones de Pham (0,54 %) y Nagaoka (1,71 %). Para la congelación rápida, el tiempo fue de 100,56 ± 17,90 s (1,68 ± 0,29 min), siendo representado eficazmente por el modelo de Nagaoka (6,81 %). Las temperaturas de inicio de la congelación fueron, para la operación lenta y rápida, de -0,64 ± 0,02 °C y -2,91 ± 0,86 °C. Por medio de estos resultados, es posible obtener y validar correlaciones que permitan predecir efectivamente los tiempos de congelación de la pulpa de açaí fresca, al considerar los principales parámetros del proceso: geometría, temperatura del medio frio y composición del alimento.
Palabras clave: Açaí, congelación criogénica, Euterpe olerácea, ingeniería de alimentos
Refrigeration and freezing have been traditionally used in food preservation. In the industry of açaí, a Brazilian fruit, they are the most common technologies. The application of theoretical models for predicting freezing times and temperatures allows an effective control of those operations. The objective of this work was to evaluate the time, temperature, and speed of two processes, conventional and cryogenic freezing, for açaí pulp. The conventional freezing time for said product was 153.68 ± 6.42 min, with a minimal error with respect to Pham’s (0.54 %) and Nagaoka’s (1.71 %) equations. The fast freezing time, in turn, was 100.56 ± 17.90 s (1.68 ± 0.29 min), which is efficiently represented by Nagaoka’s equation (6,81 %). The initial freezing temperatures for the slow and fast modes were -0.64 ± 0.02 °C and -2.91 ± 0.86 °C, respectively. Based on these results, correlations can be obtained and validated to effectively predict the freezing times of fresh açaí pulp considering the main parameters in the process: geometry, cold medium temperature, and food composition.
Keywords: Açaí, cryogenic freezing, Euterpe oleracea, food engineering
El açaí es el fruto del açaizeiro (Euterpe olerácea), palmera típica brasilera que crece en los estados de Pará, Maranhão y Amazonas; cuya cadena productiva presenta un creciente interés, pasando del consumo local a la conquista de mercados de exportación. En el año 2017, la producción total del fruto en Brasil fue de 219885 toneladas, movilizando cifras económicas de 596,8 millones de reales [
La pulpa del açaí es muy apreciada por sus características nutritivas y sensoriales, siendo considerada como un alimento de alto valor calórico, buena fuente de vitamina E, fibra, manganeso, cobre, calcio, magnesio y potasio [
En Brasil, el derivado más común del açaí es su pulpa, procesada hasta 72 h después de cosechado, permaneciendo durante este tiempo en condiciones de elevada humedad relativa y temperatura que ocasionan reacciones de oxidación, reducción del contenido de antocianinas y despigmentación [
La refrigeración y la congelación son métodos convencionalmente usados para garantizar la vida útil de frutas y hortalizas. En la refrigeración se elimina el calor sensible y metabólico, reduciéndose la temperatura hasta un valor entre 4 – 7 °C. En la congelación, por el contrario, se elimina calor latente lográndose la transformación casi completa del agua en hielo, trabajándose a temperaturas medias de -30 °C [
Según Barreiro y Sandoval [
La calidad de un producto congelado depende de la temperatura y velocidad de operación, pues determinan la distribución y el tamaño de los cristales de hielo formados en los tejidos [
Desde el punto de vista termodinámico, el cambio de fase en la congelación de alimentos ocurre a temperatura variable, entre la temperatura inicial de congelación y la temperatura de congelación final o técnica [
El presente trabajo tuvo como objetivo determinar los tiempos teóricos y experimentales de congelación para pulpa de açaí bajo dos esquemas tecnológicos, empleando un congelador convencional de aire estático y una inmersión en nitrógeno líquido. Se definieron algunas variables esenciales en la conservación por frío: temperatura inicial y final de congelación, fracción de agua congelada y cinéticas de congelación del producto, para cada velocidad de proceso evaluada.
Cada sistema, criogénico y convencional, se estudió de manera independiente, ya que, al responder a diversos principios físicos y termodinámicos, se espera encontrar una respuesta cinética diferente para cada tecnología. Ambos métodos son ampliamente utilizados por el sector de frutas y hortalizas. Por medio de la investigación, se buscó seleccionar el mejor modelo matemático para el diseño del proceso de conservación por frío, tanto lento como rápido; sugiriendo, además, temperaturas iniciales y finales de congelación, de manera que la pulpa de açaí no se someta a un tratamiento excesivo que deteriore sus atributos nutricionales y/o sensoriales.
2.1 Materia prima
Los experimentos se desarrollaron en los Laboratorios de Calidad y Seguridad Alimentaria del Departamento de Tecnología de Alimentos de la Universidad Federal de Vicosa, ubicada en Minas Gerais, Brasil. 3 lotes de pulpa de açaí, de 2 kg cada uno, se adquirieron en la ciudad de Belém, estado de Pará. El producto se mantuvo en congelación a -18 °C y, un día antes de los análisis, se descongeló bajo refrigeración a 7 °C. Posteriormente se llevó a temperatura ambiente para los ensayos experimentales.
2.2 Equipo de congelación
Se construyó una caja de aluminio de 7 cm x 7 cm x 4 cm, donde se colocaron 187 g de pulpa de açaí en cada experimento, de forma que se mantuviera una geometría de placa con espesor constante (4 cm). Se fijó un termopar (Marca TESTO, modelo AG 1006) para hacer la lectura de las temperaturas en el punto frío. Otro termopar se utilizó para conocer la temperatura del medio refrigerante.
Se realizó un proceso de congelación rápido y otro lento. Para el proceso lento, se puso en contacto la superficie de la placa con el aire frío. En la congelación rápida, se utilizó una caja de icopor con tapa como reservorio de nitrógeno. La caja metálica se aseguró a la tapa del contenedor por medio de tornillos, y los termopares se fijaron a dicha placa. El recipiente se cerró al iniciar el proceso como en la Figura1.
2.3 2.3 Cinética de congelación
Los termopares se integraron a un software computacional, que permitió la toma de datos cada 3 s. Se hizo el seguimiento de la cinética de congelación, y se construyeron las curvas de proceso (temperatura en el punto frío vs. tiempo) para cada sistema. Las temperaturas promedio de los medios de enfriamiento fueron -22 °C y -196 °C, en el esquema convencional y criogénico, respectivamente.
2.4 Determinación experimental de los parámetros de operación
Para cada curva de proceso, se encontraron las temperaturas inicial y final de congelación de la pulpa. Los resultados se obtuvieron mediante ajuste a una tendencia lineal de los puntos, entre el primer cambio de pendiente en la curva y la porción de datos posteriores que ofrecieran mayor cercanía al modelo lineal.
El tiempo de congelación real se estimó con una diferencia entre el tiempo inicial y final de proceso. Las tasas y velocidades se determinaron según Barreiro y Sandoval [
2.5 Cálculo de tiempo de enfriamiento
Para el cálculo del tiempo de enfriamiento se utilizaron ecuaciones de transferencia de calor en estado transitorio, y los diagramas termodinámicos clásicos propuestos por Gurney y Lurie [
Las ecuaciones (1), (2), (3) y (4), fueron tomadas de Orrego [
`θ= Δt/(Δt_0 )= (T-T_a)/(T_0-T_a )` (1)
`B_i= (h .D)/k` (2)
`F_o= (k )/(ρ .C_p ) (t )/D^2 ` (3)
`m= 1/Bi` (4)
Para predecir los tiempos de proceso se emplearon valores del coeficiente convectivo reportados por Erickson y Hung [
Los valores para las propiedades termo-físicas de la pulpa, utilizadas en el desarrollo de los cálculos de ingeniería, se tomaron del estudio publicado por Arias, et al. [
2.6 Parámetros de congelación
2.6.1 Temperatura inicial de congelación
Se calculó con base a la adaptación de la ley de Raoult, para productos alimenticios con humedad mayor a 80 % [
`Tc= (- Kw .C )/M` (5)
`C= (1 - m_w )/m_w x 100` (6)
`M= 200/(0,25 + S)` (7)
donde, Kw tiene un valor de 18,6 y es la constante criogénica del agua, C es la masa de soluto disuelto en 100 g de agua, `m_w` la fracción másica de agua en el producto, M el peso molecular del soluto (kg/kmol) y S la fracción de sólidos del alimento.
2.6.2 Fracción de agua congelada (y)
`G= S/M [(R .T_0^2)/L ] [(T_c- T)/((T-T_0) (T_c-T_0)) ]` (8)
`y= G/m_w ` (9)
G es la fracción de hielo en el producto a congelar, S el contenido de sólidos totales, M el peso molecular del soluto `(kg/kmol)`, R = 8,32 kJ/kmol.K, L el calor latente de fusión del agua (335 kJ/kg), `T_0` la temperatura estándar de fusión del agua, `T_c` la temperatura inicial de congelación `(K)`, `T` la temperatura del sistema en cualquier momento `(K)`, y la fracción de agua congelada en el alimento, y `m_w` el contenido de agua sin congelar.
2.6.3 Tiempo teórico de congelación
La Tabla 1 muestra los modelos usados para predecir los tiempos de congelación de la pulpa de açaí.
2.7 Diseño experimental
La obtención de los parámetros del proceso de congelación, se organizó en un diseño experimental completamente aleatorio con tres lotes diferentes de producto. Los ensayos se realizaron por triplicado para cada lote.
Los resultados del estudio de la temperatura inicial de congelación y del análisis de los tiempos de proceso se interpretaron a través de un ANOVA, por medio de una prueba F con una significancia de 5 %. Para evaluar la diferencia entre las medias de tiempo y temperatura de operación de cada modelo, incluyendo el resultado real, se utilizó el test de Tukey con α = 5 %.
Los análisis estadísticos se realizaron con el programa SAS versión 9.2 (Statistical Analysis System; SAS Institute Inc; USA), licenciado para la Universidad Federal de Viçosa.
3.1 Curvas de congelación
Las Figuras 2 y 3 son un ejemplo de las curvas de congelación obtenidas en este trabajo, las cuales presentaron un comportamiento típico para un proceso en congelador convencional y con nitrógeno líquido, respectivamente [
En cada curva fue posible observar las tres fases de operación: el pre enfriamiento, la congelación y el enfriamiento posterior.
En el caso convencional, se pudo notar de forma contundente el cambio de fase del agua y el gradiente de temperatura en que se dio la congelación. En el congelamiento criogénico también se observó el paso del açaí por los estadios de congelación; sin embargo, estos cambios no se apreciaron con exactitud pues el choque térmico fue muy grande.
En la operación lenta, se observaron dos tendencias durante la etapa de congelación, en las cuales la penetración del frío ocurrió así: primero, el calor salió lentamente por la presencia de una barrera a la conducción de calor y por la considerable proporción de agua líquida presente en el alimento, la cual es menos conductora que el hielo. Posteriormente, se dio la conducción rápida de calor al interior del alimento frío, que contenía una capa considerable de cristales de hielo [
La temperatura en la cual los cristales de soluto se encontraron en equilibrio con el agua líquida y el hielo se conoce como la temperatura eutéctica, y correspondió al máximo grado de solidificación. A partir de este momento no se retiró más calor latente, por lo que se observó un cambio en la pendiente de la curva [
En la Figura 2, el final de la congelación se debió a la cristalización del agua libre, mientras que en el proceso criogénico este punto correspondió al cambio de estado del agua libre, el agua ligada, y otros macro nutrientes como los lípidos [
3.2 Temperatura inicial de congelación
Para las frutas y vegetales, una variable fundamental en el estudio de su industrialización es la temperatura inicial de congelación, ya que corresponde normalmente al valor empleado para su almacenamiento en cámaras frías [
Las temperaturas iniciales de congelación de la pulpa se encontraron dentro del rango reportado por la ASHRAE [
[
Fue evidente la diferencia entre el punto inicial de congelación del proceso rápido y el convencional. La divergencia entre estas temperaturas se debió a las condiciones en las cuales se efectuó cada experimento, puesto que la presión de trabajo del sistema criogénico fue mayor que la presión normal. La pulpa de açaí se sometió a la sumatoria de la presión atmosférica local, la presión ejercida por la columna de nitrógeno líquido y la presión ejercida por el gas. Para el agua pura, y de forma homóloga para las soluciones acuosas, la temperatura de fusión depende de la presión del sistema. Con un aumento de la presión, la temperatura de solidificación disminuye [
Se pudo concluir que la ecuación derivada de la ley de Raoult es útil únicamente para soluciones a presión atmosférica, pues incluye el término de la constante crioscópica del agua, la cual está determinada para el equilibrio sólido líquido en condiciones normales [
3.3 Tiempos de congelación
Se analizaron los tiempos efectivos de congelación, para pulpa de açaí con temperatura inicial de 13 °C. Para efectos de ingeniería, no es útil contar únicamente con los tiempos nominales de congelación, pues debe considerarse el gasto energético que involucra retirar el calor sensible de los productos [
3.3.1. Tiempos de congelación
En la Tabla 3 se presentan los tiempos obtenidos para congelación convencional, siendo los modelos de Pham y Nagaoka los que mejor describieron la cinética del proceso.
Las ecuaciones de Pham y Nagaoka ofrecieron la ventaja de estimar la entalpía del proceso combinado de refrigeración y congelación, eliminando el error proveniente del cálculo del tiempo de enfriamiento mediante métodos clásicos [
Las imprecisiones del modelo de Plank se deben a las suposiciones sobre las cuales se formuló; entre ellas, se asumió constante la temperatura de congelación del producto, lo cual es válido únicamente para sustancias puras [
El modelo de Pham presentó el menor error respecto a datos reales. Sin embargo, el valor calculado para el factor de forma (E = 3,57) fue mayor que el establecido por el autor, denotando que no se trata de una geometría plana y que la transferencia de calor por conducción ocurrió simultáneamente en las tres direcciones [
Los resultados obtenidos en la presente investigación son similares a los reportados por Soares, et al. [
3.3.2. Congelación con nitrógeno líquido
La Tabla 4 presenta los tiempos de congelación rápida para la pulpa. La fracción de agua congelada en el producto se asumió igual a 1; la temperatura del nitrógeno líquido asegura la solidificación del agua ligada del producto [
Además, debido a que el agua libre se congeló de forma inmediata, se pudo asumir que el cambio de fase ocurrió a temperatura constante [
Nuevamente, el modelo de Nagaoka presentó el mayor grado de ajuste con los datos experimentales, gracias a los factores de corrección aplicados a los tiempos de pre enfriamiento del alimento.
En cuanto al modelo de Pham, con la geometría utilizada, el factor de forma (E = 4,53) no permitió estimar el tiempo de congelación con exactitud. Soares, et al. [
Soares, et al. [
3.4. Otros resultados
3.4.1. Temperatura final de congelación
En la Tabla 5 se observan las temperaturas finales de congelación encontradas para la pulpa de açaí, en las dos velocidades de operación.
La gran cantidad de agua presente en el alimento, y de forma general en las frutas y pulpas, explica por qué la depresión del punto de congelamiento no fue muy grande en el caso convencional, exhibiendo un comportamiento parecido al del agua pura [
3.4.2. Temperatura final de congelación
Las tasas y velocidades de congelación obtenidas se relacionan en la Tabla 6. La congelación con nitrógeno líquido se clasificó como rápida, mientras que el congelamiento con aire se clasificó como un proceso de baja o media velocidad [
Souza, et al. [
Para las dos velocidades de congelación, las temperaturas iniciales de cambio de fase fueron diferentes, concluyéndose que el modelo de predicción basado en la Ley de Raoult es válido únicamente a presiones normales. Se confirma la reducción del punto inicial de congelación cuando el sistema se encuentra sometido a presiones mayores que las atmosféricas, como es el caso de la inmersión criogénica.
En el congelamiento lento, los modelos de Pham y Nagaoka son los que mejor describen la variación de la temperatura en función del tiempo, mientras que la ecuación de Nagaoka se adapta a las condiciones de congelación rápida. La predicción de los tiempos se ve afectada, además de las variables analizadas en este estudio, por la geometría del alimento, su composición, la presión del sistema y el esquema tecnológico (convencional o criogénico). El valor del coeficiente convectivo de transferencia de calor influye especialmente en los casos con velocidad de operación baja.
La temperatura final de congelación, determinada durante la operación rápida, corresponde al punto donde cambian de fase todos los componentes presentes en la pulpa de açaí. El diferencial de temperatura entre el producto y el medio frío son lo suficientemente grandes como para alcanzar los criterios de solidificación del agua ligada, los lípidos, y las disoluciones de carbohidratos y proteínas presentes en el alimento.
Por medio de este trabajo, se muestra la importancia de las investigaciones en busca de datos para la ciencia y tecnología de los alimentos, gracias a que facilitan la operación y el control eficaz de los procesos productivos.
Más aún, por medio del modelamiento matemático, se favorece el diseño y la puesta en marcha de las diferentes operaciones; conociendo, de manera preliminar, los periodos de tiempo y las condiciones de calidad de los alimentos que se someterán a cualquier actividad de conservación. A esto se refiere la predicción en ingeniería.
En el caso específico del açaí, el avance en esta área tiene gran importancia dadas sus altas tasas de producción, comercialización y consumo en el Brasil. Las principales propuestas de conservación de este alimento son el enfriamiento y la congelación. La implementación de un buen esquema tecnológico, la selección de una correcta temperatura de congelación y la predicción de los tiempos de proceso son primordiales para evitar que la pulpa de açaí, o de cualquier otra fruta, se someta a tratamientos excesivos que ocasionen el deterioro de los atributos organolépticos y nutricionales de la matriz vegetal.
Para la pulpa de açaí se sugiere, entonces, un proceso de congelación convencional que no alcance una temperatura inferior a -6,5 °C. En el caso criogénico, la congelación se da casi de forma inmediata, siendo total a una temperatura cercana a -70 °C. Los tiempos para cada operación, respectivamente, no deben superar los 154 y 1,7 min.
A la Universidad Federal de Viçosa - Brasil, a la Universidad de Caldas - Colombia, a la Universidad Católica Luis Amigó - Colombia, quienes apoyaron el desarrollo y la divulgación del presente proyecto de investigación.