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Conservação a Baixas TemperaturasCongelação

Processamento Geral de AlimentosJoão Freire de Noronha

3 de Dezembro de 2010

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

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


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


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


Crescimento dos cristais

• Depois da nucleação, as moléculas de água movem-se 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)


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)


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


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


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


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


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.


Curva de congelação

• A-B– arrefecimento

• B-C– Sobrearrefecimento

• C-D– Congelação

• D-E – subarrefecimento


Previsão do tempo de Congelação

tc – tempo de congelação (s)– densidade do produto congelado (kg.m-3)

L – calor latente de fusão (J.kg-1)Tc – Temperatura de congelação do produto (ºC)Tm – 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


k

a.R

h

a.P

TT

L.t

mc

c

2

P R

Placa infinita 1/2 1/8

Cilindro infinito 1/4 1/16

Esfera 1/16 1/24

Modelo de Plank

P e R para paralelepípedos


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.


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)


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


“queimaduras de frio”


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


Curvas TTT para alguns alimentos


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


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


Equipamento

• Contacto Directo

• Ar

• Criogénicos


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


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


Congeladores de placas

• Placas apertadas– aumentar o contacto

produto-placas logo melhor transmissão de calor

• Tempos de congelação reduzidos– ex. produtos vegetais

com 30-60 mm espessura, a -33ºC

– cerca de 2 horas


Valentas et al., 1997. Handbook of Food Engineering Practice, CRC Press.

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)


Congeladores de tambor

• Congelador contínuo

• Produtos líquidos ou pastosos

• Fluido auxiliar de refrigeração no interior do tambor

• Produto congelado raspado do tambor


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


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

Túnel de congelação contínuo


Tapete

• Congelador contínuo

• Alimento sobre esteira metálica transportadora

• Fluxo de ar


Tapete

• Tempo de congelação controlado pela velocidade da esteira

• Para tempos de congelação elevados -Congelador em espiral..


Espiral

• Esteira de aço disposta em espiral

• Poupança de espaço

• ...mas aumenta a complexidade mecânica



Plate-blast freezer

• Combinação do sistema de placas com o sistema de ar forçado


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 comporta-se como um fluido



03/12/2010 39João Noronha - ESAC

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


Criogénicos

• Não necessitam de sistema mecânico de produção de frio

• Utilização de gases liquefeitos - Azoto


• Velocidades altas de congelação

• baixo investimento inicial

• instalação simples

• tempo de instalação curto


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


• Congelação rápida

• de 10 seg a 4 minutos em azoto a -196ºC

• congelação imediata da superfície -diminuição de desidratação

Congelação/PGA I

Trideck Freezing Tunnel


• Vantagens do ponto de vista de qualidade

• cristais de gelo pequenos...

• podem-se produzir rupturas à superfície de alguns produtos

Congelação/PGA I

Rotary Freezer

Congeladores Criogénicos• Existem sistemas por

pulverização de azoto sobre o produto

• ou por imersão em azoto liquido.

Congelação/PGA I

Cryogenic Droplet Freezer

immersion freezer

Líquidos…


Exercício equação de Plank

• EXAMPLE 6.11. Freezing of a slab of meatIf 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 105 J kg-1 and density 1090 kg m-3. Assume also that meat freezes at -2°C.


Unit Operations in Food Processing - the Web Editionhttp://www.nzifst.org.nz/unitoperations

• Conductance of cardboard packing = x/k

= 0.001/0.06 = 0.017.

• 1/hs = x/k + 1/hc = 0.017 + 1/600 = 0.019.

• hs = 52.6 J m-2 s-1 °C-1


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.

tc= 1.51 x 104 s

tc = 4.2 h


k

aR

h

aP

TT

Lt

mc

c

2...

6,1

1,0.125,0

6,52

1,0.5,0

)34(2

1090.1056,2 25

ct

• And with no packing hs = 600 so that

tc= 7.54 x 103 s

tc = 2.1 h


6,1

1,0.125,0

600

1,0.5,0

)34(2

1090.1056,2 25

ct

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