8.2.7 Refrigerarea produselor alimentare

Refrigerarea produselor alimentare constă în răcirea acestora până la temperaturi apropiate de punctul de congelare, fără formarea de gheaţă în produs în scopul conservării. După viteza de realizare a procesului de răcire, există două procedee de refrigerare: lentă şi rapidă. În prezent, cu excepţia unui număr redus de produse vegetale, la care se impune refrigerarea lentă, metoda a fost practic abandonată. Refrigerarea poate fi privită ca un proces de transfer termic fără schimbarea stării de agregare, însoţit şi de un proces de transfer de masă, deoarece are loc transferul umidităţii de la produsul alimentar, cu temperatură mai ridicată, la mediul de răcire, cu temperatura mai scăzută. Temperatura finală de refrigerare a produselor alimentare se situează între 0 şi 5 ⁰C. Mediul de răcire are temperaturi mai scăzute cu 3 – 5 ⁰C decât temperatura finală a produselor refrigerate. Dintre efectele pozitive ale refrigerării se amintesc:

• Încetinirea vitezei de înmulţire a microorganismelor;

• Reducerea vitezelor reacţiilor chimice de descompunere;

• Reducerea pierderilor de umiditate din ţesuturi.

Chiar dacă refrigerarea unui aliment are consecinţe benefice pentru păstrarea acestuia un timp mai îndelungat, nu trebuie să se piardă din vedere că există posibilitatea ca şi la temperaturi scăzute să aibă loc unele reacţii nedorite în alimentele refrigerate. De exemplu, unele fructe, cum ar fi perele, se pot îmbruna în timpul refrigerării. De aceea, pentru aceste fructe se recomandă păstrarea lor la temperaturi de 3 – 4 ⁰C, deoarece la 0⁰C apare fenomenul de brunificare. De asemenea, nu se recomandă păstrarea cartofilor sub 3 ⁰C, deoarece se strică echilibrul amidon-zahăr şi cartofii se pot deteriora. În tabelul 8.1 sunt prezentate temperaturile recomandate de păstrare la rece a unor alimente, ca şi unele din deteriorările care pot apărea.

Tabelul 4.1

Temperaturi de refrigerare pentru fructe şi legume şi deteriorările acestora la păstrare la temperaturi scăzute

Produsul	Temperatura critică de păstrare (0C)	Tipul de deteriorări între temperatura critică de păstrare şi temperatura de congelare
Măsline Mazăre verde Lămâi Mere Pepeni verzi Castraveţi Portocale Cartofi Vinete Dovlecei	7 7 14 2-3 4 7 3 3 7 10	Brunificare internă Pătare şi înroşire Pătare, semne roşii Brunificare a miezului, fisurare la congelare Pătare, miros neplăcut Pătare, putrezire Pătare, brunificare Brunificare, îndulcire Deteriorare a suprafeţei, putrezire Putrezire

Ca procedee de refrigerare se pot aminti:

• Cu aer rece;

• Cu agenţi de răcire intermediari (soluţii de clorură de sodiu în apă, apă);

• Prin contact cu gheaţa;

• În schimbătoare de căldură pentru produse lichide;

• În vid.

Cum răcirea este un proces nestaţionar, tratarea sa din punct de vedre teoretic este mai complicată. Problema se poate simplifica numai în cazul unor corpuri omogene cu forme geometrice simple cum sunt cele sferice, cilindrice, cubice sau paralelipipedice, ceea ce nu se întâmplă în majoritatea produselor alimentare. Pentru a caracteriza procesul de răcire s-au introdus următoarele noţiuni:

• Viteza de răcire care reprezintă variaţia temperaturii într-un punct considerat, în corp, în unitatea de timp (w=dt/dτ). Deoarece viteza de răcire variază de la un punct la altul al alimentului refrigerat, se lucrează cu o viteză globală de răcire, definită ca raportul dintre scăderea totală a temperaturii medii a produsului şi durata totală a procesului de refrigerare;

• Timpul de înjumătăţire care se defineşte prin intervalul de timp în care diferenţa de temperatură între temperatura medie a produsului şi temperatura mediului de răcire este redusă la jumătate;

• Durata de refrigerare este timpul necesar produsului de a atinge temperatura finală de refrigerare. În cazuri simplificate (omogenitatea produsului şi conductivitate termică foarte mare) se poate deduce o relaţie simplificată a duratei de refrigerare pornind de la ecuaţia lui Fourier (Banu şi colab., 1998).

Sisteme de refrigerare

• Refrigerarea în aer. Este procedeul cu cea mai largă utilizare şi se aplică pentru produsele solide, cum ar fi carne şi produse din carne, brânzeturi şi produse lactate, păsări şi peşte, fructe şi legume, ouă, semipreparate culinare şi altele. Refrigerarea cu aer se poate realiza în camere de refrigerare, tuneluri de refrigerare sau celule de refrigerare.

• Refrigerarea cu apă răcită. Acest procedeu asigură viteze mult mai mari decât în cazul refrigerării cu aer şi, în consecinţă, spaţiile de refrigerare sunt mult mai mici. Refrigerarea cu apă răcită se realizează prin imersia produselor, prin stropire sau mixt. Apa de răcire este adusă la 0.5 - 2 ⁰C cu ajutorul unei instalaţii frigorifice sau prin amestecare cu gheaţă. În apa de răcire se adaugă substanţe dezinfectante, iar dacă procedeul este prin imersie, atunci apa trebuie schimbată periodic.

• Refrigerarea în vid. Acest procedeu se bazează pe efectul de răcire care se obţine prin vaporizare la presiuni subatmosferice a apei cu care a fost stropit anterior produsul, sau a unei părţi din apa conţinută de acesta. Se ştie că temperatura de evaporare a apei depinde de presiune, rezultă că prin scăderea presiunii în interiorul unei incinte se pot atinge şi temperaturi scăzute de evaporare a apei. De exemplu, pentru a avea o temperatură de +2 ⁰C, este necesar un vid de 7.05 mbar. Procesul tehnologic decurge în trei etape: introducerea produsului în camera de vid şi realizarea depresiunii corespunzătoare (6.56 - 7.56 mbar pentru +1⁰…+2 ⁰C), menţinerea unui palier necesar omogenizării temperaturii în masa produsului (~5 min), aducerea incintei la presiune atmosferică şi evacuarea produsului. Se aplică pentru legume cu frunze de tipul salată sau spanac care au suprafaţă specifică mare. Mai pot fi refrigerate astfel mazăre verde, ciuperci, castraveţi, ardei graşi tăiaţi, bucăţi mici de carne, flori destinate exportului. Răcirea rapidă, din punct de vedere tehnologic, înseamnă o creştere importantă a duratei de viaţă comercială a produselor de origine vegetală.

• Refrigerarea cu gheaţă hidrică se aplică pentru refrigerarea peştelui şi a unor sorturi de legume. Se utilizează gheaţă mărunţită sub formă cilindrică, solzi sau zăpadă. Produsele supuse refrigerării sunt ambalate în lăzi de lemn peste care se adaugă gheaţă. Lăzile cu produse şi gheaţă sunt menţinute în spaţii răcite sau izoterme, astfel aşezate încât să permită scurgerea şi evacuarea apei provenite din topirea gheţii (Banu şi colab., 1998).

Congelarea produselor alimentare

În vederea asigurării unor durate mari de conservare, produsele alimentare se congelează la temperaturi mult inferioare faţă de punctul de solidificare al apei conţinute de acestea. Congelarea, ca metodă de conservare, măreşte durata de păstrare a alimentelor de peste 5-50 de ori faţă de refrigerare. Congelarea se utilizează în trei variante:

• pentru conservarea alimentelor;

• crioconcentrarea (concentrarea alimentelor lichide prin congelare parţială urmată de separarea cristalelor de gheaţă);

• liofilizarea alimentelor (uscarea sub vid a alimentelor congelate prin sublimarea cristalelor de gheaţă).

Congelarea are ca efect de conservare eliminarea unei părţi din apa conţinută de aliment sub formă de gheaţă şi reducerea activităţii biologice la temperaturi scăzute.

Pentru a înţelege procesele elementare ale operaţiei de congelare, este necesar să se discute câteva din fenomenele care o însoţesc şi care se referă la comportarea apei la îngheţare şi a alimentelor în timpul scăderii temperaturii sub punctul de îngheţ a apei.

• Comportarea apei pure şi a alimentelor în timpul congelării

Solidificarea apei pure la gheaţă are loc la presiune obişnuită, la 0 ⁰C şi implică o căldură latentă de solidificare de 335 kJ/kg de gheaţă formată. În realitate, apa trebuie răcită la o temperatură mai mică de 0 ⁰C pentru a genera primele cristale de gheaţă (fenomenul de subrăcire). Congelarea alimentelor se deosebeşte de cea a apei pure. Într-un aliment concentraţia solidelor solubile creşte în apa rămasă lichidă, pe măsură ce se formează gheaţa, de aceea temperatura de congelare a unui aliment variază în timp. Pentru calculele curente este convenabil să se considere ca temperatură de congelare, temperatura la care apar primele cristale de gheaţă. La începutul congelării, soluţia apoasă este diluată, astfel încât se poate aplica relaţia 4.2:

(4.2)

unde T_c - temperatura de îngheţ a apei; K_w - constanta criogenică a apei (18.6); m_s - g solut/100 g de apă; M_s - masa moleculară a solutului.

Pentru alimente, M_s este o masă moleculară medie a tuturor substanţelor solubile conţinute în aliment. Există ecuaţii empirice care permit determinarea temperaturii iniţiale de congelare pentru anumite alimente, cunoscând conţinutul de umiditate al acestora. Scăderea punctului de congelare într-o soluţie ideală, care conţine un dizolvant necristalizabil, este dată de următoarea relaţie, utilizată pentru măsurători criometrice:

(4.3)

unde x - fracţia molară a apei în produs, λ - căldura latentă molară de topire a gheţii (kJ/kmol), R - constanta generală a gazelor (8310 J/kmol K), T_apă - temperatura de solidificare a apei pure sau de topire a gheţii (273.1 K), T_aliment - temperatura la care începe congelarea alimentului (K).

Relaţia de mai sus este valabilă numai pentru soluţii diluate. Pentru soluţii mai concentrate şi temperaturi mai scăzute, trebuie utilizate date experimentele.

Într-un aliment congelat va mai rămâne o cantitate de apă lichidă, numită apă legată. Este important să se determine cantitatea de apă neîngheţată la finalul congelării, deoarece aceasta influenţează nu numai proprietăţile alimentului, ci şi entalpia necesară congelării.

• Durata procesului de îngheţare

Calcularea timpului de îngheţare este deosebit de importantă pentru a putea proiecta utilajele de congelare, deoarece acest parametru este chiar durata de timp în care alimentul se află în echipamentul de congelare. Calcularea acestui parametru poate fi dificilă, deoarece congelarea este un proces de răcire cu schimbarea stării de agregare, astfel că ea decurge în regim nestaţionar şi cu graniţă variabilă. Pentru a exemplifica acest calcul, se consideră o placă plană infinită ca lungime, dar având o grosime finită (δ), pentru ca transferul termic să fie unidirecţional. Alimentul se află iniţial la temperatura t₀ şi se introduce într-un congelator a cărui temperatură este t_c. Un front de congelare se formează în timpul răcirii şi el avansează de la suprafaţa care are o temperatură t_i către centrul plăcii aflat la o distanţă x faţă de margine. Particularizând bilanţul termic în acest caz, se poate scrie că energia cedată sub formă de căldură de un strat de aliment până la distanţa x de la suprafaţă, prin convecţie şi conducţie, este egală cu căldura disipată prin congelare:

(4.4)

(4.5)

Din egalitatea relaţiilor 8.16 şi 8.17 se obţine o ecuaţie diferenţială de forma:

care poate fi integrată după separarea variabilelor, pentru următoarele condiţii la limită: pentru τ=0, x=0, iar pentru τ=τ_final, x=δ/2.

Prin integrare se obţine timpul de congelare:

(4.6)

Relaţia 4.6 este cunoscută ca fiind ecuaţia lui Plank şi este valabilă numai pentru perioda de îngheţare. Aceasta presupune că alimentul se află deja la temperatura de îngheţare, când este introdus în congelator (t₀=t_i). Semnificaţia mărimilor din relaţiile de mai sus este: A - aria suprafeţei alimentului (considerat ca o placă plană de lungime infinită şi de grosime finită δ); ρ - densitatea alimentului; r_l - căldura latentă de îngheţare, care se calculează înmulţind căldura latentă de congelare a apei pure (r_apa) cu fracţia masică a apei îngheţate; λ - conductivitatea termică a alimentului; α - coeficientul de transfer termic între aliment şi mediul de congelare.

Pentru cilindri de lungime infinită sau pentru sfere se poate obţine, în mod analog, o expresie pentru timpul de îngheţare. Astfel, pentru cilindri se obţine o relaţie similară cu 4.6, dar având în locul coeficienţilor 8 şi 2 alte valori numerice. Ca dimensiuni caracteristice în aceste cazuri se vor considera raza cilindrului şi raza sferei. Relaţia 4.16 poate fi exprimată şi în funcţie de criteriile Fourier, Biot şi Stefan. Criteriile Biot (Bi=αl/ λ) şi Fourier (Fo=aτ/l²) au fost deja definite, iar criteriul Stefan are următoarea expresie:

(4.7)

unde c - căldura specifică, t_i - temperatura iniţială a corpului, t_c - temperatura incintei de congelare, r - căldura latentă de vaporizare. Se obţine relaţia 4.8:

(4.9)

Relaţia 4.9 poate fi generalizată şi pentru sfere şi cilindri de lungime infinită, valorile parametrilor P şi R fiind datele din tabelul 4.2.

(4.10)

Tabelul 4.2