Conservação a Baixas Temperaturas Congelação

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1 Conservação a Baixas Temperaturas Congelação Processamento Geral de Alimentos João Freire de Noronha 3 de Dezembro de 2010

2 O processo de Congelação Abaixamento de temperatura Formação de cristais Moléculas de água com distribuição desordenada Moléculas de água com distribuição ordenada Necessária mobilidade e tempo Fases Sobrearrefecimento Nucleação Crescimento dos cristais Fases influenciadas por variáveis termodinâmicas, cinéticas e do produto A variação destas propriedades influencia a distribuição dos cristais de gelo e, consequentemente, a qualidade do produto congelado 03/12/2010 João Noronha - ESAC 2

3 Sobrearrefecimento Colocação do produto num estado termodinamicamente instável que propicie o começo da formação de agregados de moléculas de água Arrefecimento do produto abaixo do ponto de congelação 03/12/2010 João Noronha - ESAC 3

4 Nucleação Agregação de um grupo de moléculas numa pequena partícula ordenada Núcleo de cristalização O agregado é instável até atingir um raio crítico Processo passa a espontâneo quando é ultrapassado o raio crítico Núcleo de cristalização activo Factores de que depende o raio crítico Energia interfacial Calor latente de fusão Grau de sobrearrefecimento Quanto maior menor o raio crítico 03/12/2010 João Noronha - ESAC 4

5 Tipos de Nucleação Homogénea Observa-se em sistemas puros Cristais tridimensionais Probabilidade em água pura a 0ºC é praticamente nula Probabilidade máxima com sobrearrefecimentos de -40ºC Heterogénea A mais importante em processos de congelação Meios não puros Agentes de nucleação estranho Paredes do recipiente ou partícula insolúvel Probabilidade alta de ocorrer com sobrearrefecimentos baixos Bastam -4ºC São produzidos cristais bidimensionais 03/12/2010 João Noronha - ESAC 5

6 Crescimento dos cristais Depois da nucleação, as moléculas de água movemse rapidamente para alcançar a estabilidade termodinâmica como cristais de gelo. O crescimento dá-se qd o nº de moléculas que se orientam no sentido de crescimento do cristal é maior que aquelas que se separam A velocidade do crescimento é favorecida na presença de cristais com defeitos em ambiente de sobrearrefecimento ligeiro Congelação lenta/congelação rápida influência na qualidade dos produtos congelados Frutos e vegetais (mais problemático devido à formação de gelo extracelular) 03/12/2010 João Noronha - ESAC 6

7 Recristalização durante o armazenamento Durante o armazenamento a temperaturas de congelação os cristais de gelo são instáveis. Mudam de Tamanho Forma Número A isto chamamos recristalização Pode ocorrer a Temperatura constante União de cristais adjacentes dado o sistema tender a aumentar a sua estabilidade reduzindo a sua superfície Devido a flutuações de temperatura Durante o aumento de temperatura dá-se a fusão dos cristais mais pequenos Quando arrefece a água livre cristaliza sobre os cristais maiores aumentado o seu tamanho O número de cristais diminui e o tamanho aumenta! Para diminuir este fenómeno Armazenamento a temperaturas baixas Temperaturas o mais uniformes possível (sem flutuações) 03/12/2010 João Noronha - ESAC 7

8 O estado vítreo A concentração de solutos aumenta quando começa o processo de congelação Devido à separação da água na forma de gelo Quando se arrefece um líquido rapidamente abaixo da Temperatura de congelação Mobilidade das moléculas diminui Não é possível alcançar posição de equilíbrio para formar cristais de Gelo Estado vítreo Solidificação dá-se com as moléculas em estado desordenado Volume e entalpia superiores ao estado ordenado (cristais) à mesma temperatura 03/12/2010 João Noronha - ESAC 8

9 Estado vítreo Nos alimentos o estado vítreo atinge-se pela eliminação de grandes quantidades de água na congelação A contínua separação do gelo (água pura) promove o aumento da concentração de solutos e a diminuição da temperatura de congelação da fase líquida não congelada, o que faz aumentar a viscosidade e restringe a mobilidade das moléculas de água para alcançar as posições de equilíbrio necessárias para a formação de cristais de gelo A temperatura a que se consegue atingir este valor é denominada Tg A solução passa a ter as propriedades de um sólido já que a mobilidade molecular desaparece A lentidão intrínseca da reorganização molecular que se alcança a temperaturas inferiores a Tg é o que se procura de modo a aumentar a estabilidade dos alimentos congelados 03/12/2010 João Noronha - ESAC 9

10 03/12/2010 João Noronha - ESAC 10

11 Efeitos sobre os alimentos Dois grupos de alimentos Sistemas biológicos com uma estrutura celular organizada Frutas, hortícolas, tubérculos, carne, peixe Sem estrutura celular organizada Leite, sumos de fruta Os primeiros podem sofrer efeitos prejudiciais devido ao aparecimento de cristais de gelo 03/12/2010 João Noronha - ESAC 11

12 Danos mecânicos e outros Com a congelação a água aumenta 9% o seu volume Este aumento de volume pode provocar danos Migração da água Fluxo osmótico da água provocando desidratação ou mesmo a ruptura das paredes celulares Disposição espacial de solutos Migração dos solutos das zonas que já estão congeladas para zonas não congeladas Redução do ponto de congelação provocado pelo aumento da concentração de solutos Modificações indesejadas ao nível do ph, acidez titulável, viscosidade, pressão osmótica, potencial redox, tensão de vapor e tensão superficial Este efeito é mais pronunciado quando a congelação é lenta 03/12/2010 João Noronha - ESAC 12

13 Efeitos sobre microrganismos Diminuição da actividade microbiana Só os psicrófilos se desenvolvem a baixas temperaturas (limite -12/-17 ºC) Crescimento cessa abaixo dos -18ºC Temperatura normal de conservação de congelados Algumas enzimas de m.o. continuam activas Alguns microrganismos são destruídos Morte de cerca de 50-80% microrganismos O que é insuficiente para que o produto seja seguro Alguns m.o. estão viáveis apôs anos de congelação! Os m.o. não são destruídos e podem deteriorar o alimento quando este é descongelado. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 13

14 Curva de congelação A-B B-C C-D D-E arrefecimento Sobrearrefecimento Congelação subarrefecimento 03/12/2010 João Noronha - ESAC 14

15 Previsão do tempo de Congelação t c T c.l T m P.a h R.a k 2 Modelo de Plank t c tempo de congelação (s) densidade do produto congelado (kg.m -3 ) L calor latente de fusão (J.kg -1 ) T c Temperatura de congelação do produto (ºC) T m Temperatura do meio de congelação (ºC) a dimensão característica do produto (m) H coeficiente de transferência de calor por convecção (W.m -2.K -1 ) k condutividade térmica do produto congelado (W.m -1.K) P e R - coeficientes de forma do produto P R Placa infinita 1/2 1/8 Cilindro infinito 1/4 1/16 Esfera 1/16 1/24 03/12/2010 João Noronha - ESAC 15

16 P e R para paralelepípedos 03/12/2010 João Noronha - ESAC 16

17 Limitações modelo de Plank Assume como constantes Temperatura de congelação Calor latente de fusão Condutividade térmica Só permite calcular o tempo de congelação Não permite considerar o arrefecimento antes e após a congelação. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 17

18 Alterações da qualidade durante o armazenamento de congelados Alterações devidas a fenómenos físicos Alterações devidas a fenómenos químicos Efeito combinado do tempo e temperatura Factores PPP Producto Processo Packaging (embalagem) 03/12/2010 João Noronha - ESAC 18

19 Fenómenos físicos Estabilidade do gelo no interior e superfície Recristalização A recristalização pode eliminar as vantagens conseguidas por uma congelação rápida Aumento dos cristais de gelo Sublimação Secagem Acumulação de geada dentro da embalagem. Perda de peso Aumento de risco de oxidação à superfície Aceleram com as flutuações de temperatura Menos importantes para temperaturas mais baixas 03/12/2010 João Noronha - ESAC 19

20 queimaduras de frio 03/12/2010 João Noronha - ESAC 20

21 Fenómenos químicos Reacções enzimáticas e não enzimáticas Vegetais Modificações de aroma e sabor Acumulação de etanol e outros produtos da glicólise Modificações da cor degradação de pigmentos Antocianinas, clorofilas e carotenóides Escurecimento enzimático Auto-oxidação do ácido ascórbico Um escaldão adequado permite obviar estas situações 03/12/2010 João Noronha - ESAC 21

22 Curvas TTT para alguns alimentos 03/12/2010 João Noronha - ESAC 22

23 Factores PPP Produto Natureza e qualidade original da matéria-prima Tempo que decorre entre a colheita e a congelação Perda de peso Perda de turgescência Aumento da dureza (ervilhas) e fibrosidade (espargos Processo Todas as operações do processamento devem ser realizadas nas melhores condições de higiene e de forma a evitar danos mecânicos Escaldão eficaz (teste da peroxidase) Congelação rápida 03/12/2010 João Noronha - ESAC 23

24 Factores PPP Embalagem Quimicamente estável e inerte Sem odor ou substâncias que possam migrar para o alimento Impermeável ao vapor de água, substâncias voláteis e odores externos Permitir a congelação rápida Permitir o aumento do volume do produto Impermeável aos líquidos Resistente à humidade e baixas temperaturas Opaca à luz (quando necessário) Permita a descongelação por microondas 03/12/2010 João Noronha - ESAC 24

25 Equipamento Contacto Directo Ar Criogénicos 03/12/2010 João Noronha - ESAC 25

26 Contacto Directo Alimento em contacto com superfície metálica Transmissão de calor por condução Tempos de congelação curtos Alimento bom condutor de calor espessura reduzida (máximo 50 a 60 mm) Necessidade de um bom contacto alimento-metal 03/12/2010 João Noronha - ESAC 26

27 Congeladores de Placas Congelador de contacto directo mais utilizado Conjunto de placas dentro de um recipiente Liquido refrigerante no interior das placas Alimento entre as placas 03/12/2010 João Noronha - ESAC 27

28 Congeladores de placas Placas apertadas aumentar o contacto produto-placas logo melhor transmissão de calor Tempos de congelação reduzidos ex. produtos vegetais com mm espessura, a -33ºC cerca de 2 horas Valentas et al., Handbook of Food Engineering Practice, CRC Press. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 28

29 Congeladores de Tapete Produtos delgados (15mm) Produto colocado à mão sobre a superfície de contacto Velocidade da esteira controlo o tempo de congelação Esteira arrefecida por liquido refrigerante Sistemas de 2 esteiras permitem dar forma ao produto (até 40 mm) 03/12/2010 João Noronha - ESAC 29

30 Congeladores de tambor Congelador contínuo Produtos líquidos ou pastosos Fluido auxiliar de refrigeração no interior do tambor Produto congelado raspado do tambor 03/12/2010 João Noronha - ESAC 30

31 Congeladores por ar Sistema mais comum de congelação As câmaras de congelação não são sistemas de congelação velocidades de congelação reduzida qualidade do produto final medíocre elevação da temperatura da câmara potência frigorífica insuficiente As câmaras só servem para manter a temperatura Os Congeladores a ar são equipamento específico 03/12/2010 João Noronha - ESAC 31

32 Túneis de Congelação O ar frio circula através do produto colocado em paletes Muito flexível Qualquer forma ou dimensão de produto Alimentação manual ou automática Sistemas contínuos os descontínuos Valentas et al., Handbook of Food Engineering Practice, CRC Press. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 32

33 Túnel de congelação contínuo 03/12/2010 João Noronha - ESAC 33

34 Tapete Congelador contínuo Alimento sobre esteira metálica transportadora Fluxo de ar 03/12/2010 João Noronha - ESAC 34

35 Tapete Tempo de congelação controlado pela velocidade da esteira Para tempos de congelação elevados - Congelador em espiral.. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 35

36 Espiral Esteira de aço disposta em espiral Poupança de espaço...mas aumenta a complexidade mecânica Valentas et al., Handbook of Food Engineering Practice, CRC Press. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 36

37 Plate-blast freezer Combinação do sistema de placas com o sistema de ar forçado 03/12/2010 João Noronha - ESAC 37

38 Leito fluidizado Produtos de pequeno tamanho não embalados Corrente de ar ascendente velocidade do ar dependente do produto o produto flutua na corrente de ar e comportase como um fluido Valentas et al., Handbook of Food Engineering Practice, CRC Press. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 38

40 IQF Leito Fluidizado Individual Quick Freezing o produto congela de forma individual (não pega) cenoura em cubos, ervilhas grande consumo de energia pelos ventiladores necessários à fluidização 03/12/2010 João Noronha - ESAC 40

41 Criogénicos Não necessitam de sistema mecânico de produção de frio Utilização de gases liquefeitos - Azoto 03/12/2010 João Noronha - ESAC 41

42 Velocidades altas de congelação baixo investimento inicial instalação simples tempo de instalação curto 03/12/2010 João Noronha - ESAC 42

43 Congeladores Criogénicos Indicado para produções reduzidas Não indicado para grandes volumes de produção - custos elevados 1 a 1,5 Kg de Azoto por Kg de produto... Congelação/PGA I

44 Congeladores Criogénicos Congelação rápida de 10 seg a 4 minutos em azoto a -196ºC congelação imediata da superfície - diminuição de desidratação Trideck Freezing Tunnel Congelação/PGA I

45 Congeladores Criogénicos Vantagens do ponto de vista de qualidade cristais de gelo pequenos... podem-se produzir rupturas à superfície de alguns produtos Rotary Freezer Congelação/PGA I

46 Congeladores Criogénicos Existem sistemas por pulverização de azoto sobre o produto ou por imersão em azoto liquido. immersion freezer Cryogenic Droplet Freezer Congelação/PGA I

47 Valentas et al., Handbook of Food Engineering Practice, CRC Press. 03/12/2010 João Noronha - ESAC 47

50 Líquidos 03/12/2010 João Noronha - ESAC 50

51 Exercício equação de Plank EXAMPLE Freezing of a slab of meat If a slab of meat is to be frozen between refrigerated plates with the plate temperature at -34 C, how long will it take to freeze if the slab is 10 cm thick and the meat is wrapped in cardboard 1 mm thick on either side of the slab? What would be the freezing time if the cardboard were not present? Assume that for the plate freezer, the surface heat-transfer coefficient is 600 J m -2 s -1 C -1, the thermal conductivity of cardboard is 0.06 J m -1 s -1 C -1 the thermal conductivity of frozen meat is 1.6 J m -1 s -1 C -1, its latent heat is 2.56 x 10 5 J kg -1 and density 1090 kg m -3. Assume also that meat freezes at -2 C. Unit Operations in Food Processing - the Web Edition 03/12/2010 João Noronha - ESAC 51

52 Conductance of cardboard packing = x/k = 0.001/0.06 = /h s = x/k + 1/h c = /600 = h s = 52.6 J m -2 s -1 C -1 03/12/2010 João Noronha - ESAC 52

53 In a plate freezer, the thickness of the slab is the only dimension that is significant. The case can be treated as equivalent to an infinite slab, and therefore the constants in Plank's equation are 1/2 and 1/8. t c T c. L T m P. a h R. a k 2 t c t c = 1.51 x 10 4 s t c = 4.2 h 2, ( 34) 0,5.0,1 52,6 0,125.0,1 1,6 2 03/12/2010 João Noronha - ESAC 53

54 And with no packing h s = 600 so that t c 2, ( 34) 0,5.0, ,125.0,1 1,6 2 t c = 7.54 x 10 3 s t c = 2.1 h 03/12/2010 João Noronha - ESAC 54