Criogenia Alimentaria 6y4r21

LA CRIOGENIA ALIMENTARIA José Manuel GOMEZ-PASTRANA RUBIO AL AIR LIQUIDE ESPAÑA, S.A - Paseo Castellana, 35 Tel.: 91 5029349, Fax; 91 5029684 e-mail: [email protected]

RESUMEN La formación de hielo en los tejidos cambia de forma notable las propiedades físicas de los productos congelados. La calidad bacteriológica de un producto y el tiempo de conservación posterior en cámara va a depender del número de microorganismos que tenga ese producto cuando se congele. Por lo tanto, la única garantía que tenemos de que un producto no sufra alteraciones, ni físicas ni microbianas, es efectuando una congelación lo más rápidamente posible y esta rapidez queda garantizada como con ningún otro sistema, congelando criogénicamente con NITROGENO LIQUIDO.

1. INTRODUCCION AL AIR LIQUIDE ESPAÑA, S.A. es una empresa dedicada a la fabricación y venta de gases industriales y de todo tipo de materiales, aparatos e instalaciones asociadas a los mismos. Desde 1909, fecha de su fundación, está afiliada a la multinacional sa AIR LIQUIDE, líder mundial en el mercado de los gases, estando introducida en 65 países. AIR LIQUIDE dispone de diversos centros de investigación, donde numerosos científicos se dedican a estudiar la aplicación de nuestros fabricados en los distintos campos de la ciencia. Entre ellos, se encuentra uno dedicado a la investigación y desarrollo de las bajas temperaturas, tema que hoy nos ocupa. Sé que muchos de Vdes. se harán la siguiente pregunta: ¿Qué relación guarda una empresa dedicada a la fabricación de gases industriales con la congelación de productos alimenticios?.

Pues muy sencillo, entre nuestros fabricados se encuentra una serie de gases que, en estado líquido, tienen temperaturas muy bajas y potencias frigoríficas muy elevadas. Entonces, lo que hacemos nosotros es aplicar estas propiedades de los gases licuados a la congelación de productos perecederos. Igualmente, aplicamos esas mismas propiedades en otros campos que, a muchos de Vdes. les podrían parecer curiosas, por ejemplo "el marcado de reses", que consiste en introducir el marcador en nitrógeno líquido enfriándolo hasta la temperatura de -196ºC, a continuación, se aplica sobre una zona oscura de la res, lo que da lugar a un edema que después desaparece. Más tarde, el pelo vuelve a crecer enteramente blanco en toda la zona que tocó el hierro. También aplicamos los líquidos criogénicos en criobiología para la congelación y conservación de células vivas, cultivos de tejidos, fermentos lácticos, sangre, etc., o bien, para la termorregulación de reacciones químicas, para el zunchado por contracción, desbarbado del caucho, congelación de suelos, criomolturación, etc. A continuación, vamos a hablar de los fluídos criogénicos y de su aplicación a la congelación de productos perecederos. 1

2. ¿QUE ES LA CRIOGENIA? La palabra criogenia se deriva de los vocablos griegos "crios" y "genea" que significan, respectivamente, "frío" y "nacimiento". En la práctica, la criogenia se define como la ciencia dedicada a la producción de temperaturas entre 100 y 273 grados centígrados bajo cero (la más baja de ambas, equivale al cero absoluto de la escala KELVIN). En la actualidad, cuando hablamos de criogenia, estamos hablando de frío originado en la aplicación de gases licuados. La criogenía ha revolucionado un sinnúmero de técnicas de aplicaciones industriales. Aunque existen 11 gases básicos que pueden licuarse a temperaturas inferiores a -100ºC, sólo de cuatro se disponen en abundancia y son EL NITROGENO, EL OXIGENO, EL HELIO y EL HIDROGENO. La elección del gas licuado se hace en función de la técnica a emplear, de la temperatura requerida y del comportamiento físico-químico de aquel. El oxígeno, por ejemplo, promueve la combustión, lo cual constituye un factor muy importante a tener en cuenta en su aplicación. El hidrógeno es combustible. El nitrógeno y el helio no son ni combustibles ni comburentes. El punto de licuación de este último es el más bajo de todos los gases -269ºC (a sólo 4º Kelvin del cero absoluto). Pero el helio existe en el aire en proporciones minúsculas. Comercialmente, se produce por licuación y fraccionamiento de gases naturales que lo contienen. El oxígeno y el nitrógeno se obtienen por licuación del aire y destilación fraccionada de éste. Por lo tanto, de estos cuatro gases, por su abundancia, disponibilidad y por tratarse de un gas inerte, EL NITROGENO LIQUIDO ES EL FLUIDO CRIOGENICO POR EXCELENCIA. 3. ¿QUE ES EL NITROGENO LIQUIDO? El nitrógeno licuado es un líquido incoloro, con punto de ebullición de -195,8ºC a presión de 760 mm. de columna de mercurio; calor latente de vaporización 47,74 Kcal/Kg.; calor sensible (entre -196 y 0ºC): 49 Kcal/Kg. Teniendo en cuenta la densidad del nitrógeno líquido (0,808), la vaporización de un litro del mismo suministra unas 80 frigorías a 0ºC y 680 litros de gas a una atmósfera (absoluta) de presión. 4. ¿COMO SE FABRICA EL NITROGENO LIQUIDO? El nitrógeno gas es el principal constituyente del aire (78%); para obtenerlo en estado líquido, se licua previamente el aire; para ello, hay que comprimir y enfriar sucesivas veces (efecto de JOULE-THOMSON) por debajo de su temperatura crítica que es de -141ºC y comprimir por encima de su presión crítica que es de 38 Kg/cm2. Una vez que tenemos el aire en estado líquido, se separan sus tres componentes principales: nitrógeno, oxígeno y argón, por destilación. El primero que se separa es el nitrógeno, ya que tienen el punto de ebullición más bajo (196ºC), a continuación el argón (-185ºC) y, finalmente, el oxígeno (-183ºC).

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5. APLICACION DEL NITROGENO A LA CONGELACION DE PRODUCTOS ALIMENTICIOS Los primeros experimentos sobre la utilización del nitrógeno líquido para congelación de productos alimenticios, datan de 1930. En aquel entonces, eran muy limitadas las cantidades disponibles de nitrógeno líquido, resultando el precio de éste demasiado alto para considerar su utilización en la congelación de alimentos. Sin embargo, en los últimos 30 años, han surgido por doquier utilizaciones del nitrógeno líquido como fluido frigorígeno. Asímismo, se ha acometido su producción en instalaciones de gran tamaño, con las consiguientes reducciones de costes de fabricación. Los actuales precios del nitrógeno líquido en el mercado internacional, situan este producto en condiciones de franca competencia frente a cualquier otro sistema convencional de refrigeración. 6. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TUNEL El principio de congelación se basa en utilizar el nitrógeno líquido como fluído de frigorígeno, que se inyecta directamente en el interior del túnel a través de un conjunto de pulverizadores con caudal proporcional a las cantidades de productos que lo atraviesan. El líquido se pulveriza directamente sobre los productos, vaporizándose al o con ellos. El gas frío, más denso, se desliza hacia la entrada del túnel, siendo impulsado por un conjunto de ventiladores de circulación. De esta forma, tiene lugar un intercambio térmico en contracorriente entre el gas que se calienta y el producto que se enfría. De aquí resulta una prerefrigeración superficial del producto tratado en la primera parte del túnel, antes de recibir la lluvia de nitrógeno líquido. El producto se congela entonces y, seguidamente, equilibra sus temperaturas entre el centro y la superficie, lo cual tiene lugar en la zona llamada de estabilización. La gran diferencia de temperatura entre producto y nitrógeno líquido, permite lograr, además, grandes velocidades de congelación y, con ello, un producto congelado que retiene inalteradas sus propiedades organolépticas, siendo, por lo tanto, de la más alta calidad.

TUNEL CONGELACIÓN CRIOGENICO ZIP-FREEZE

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7. VENTAJAS DE LA CONGELACION CRIOGENICA La primera y principal ventaja de la congelación criogénica, es la calidad. La calidad de la congelación depende de la rapidez de enfriamiento y se presenta bajo un doble aspecto: Calidad bacteriológica y calidad física.

7.1. Calidad bacteriológica Cuanto más rápidamente se efectua el descenso de la temperatura del producto, más rápidamente se detiene el desarrollo de los microorganismos que pueden alterarlos. La calidad bacteriológica de un producto y el tiempo de conservación posterior en cámaras, va a depender del número de microorganismos que tenga ese producto cuando se congele. Los microorganismos deterioran las sustancias básicas de los alimentos (agua, sales minerales, glúcidos, lípidos, prótidos y vitaminas) por medio de las enzimas, originando compuestos de desecho. Tres son los factores que influyen en su crecimiento, tanto para los hongos como para las bacterias, y son: la humedad, el oxígeno y la temperatura. Con relación a la humedad, el nitrógeno líquido no contiene absolutamente nada de agua (puesto que se formaría hielo), luego evita su desarrollo. Los hongos son aerobios y las bacterias pueden ser aerobias o anaerobias; por lo tanto, el nitrógeno inhibe el crecimiento de todos los hongos y de las bacterias aerobias. En cuanto a la temperatura, existen tres tipos de bacterias: termófilas, mesófilas y sicrófilas. - las termófilas tienen una temperatura óptima de crecimiento de +60ºC - las mesófilas entre +20 y +45ºC - las sicrófilas hasta -10ºC Por lo tanto, se deduce que, al descender la temperatura, se disminuye la capacidad de crecimiento de los microorganismos y que cuanto más rápido enfriemos, menos microorganismos tendrá ese producto cuando alcance el punto de congelación. Pero es que, además, al congelar con nitrógeno líquido, se opera en atmósfera inerte, es decir, en presencia de un gas que no reacciona ni ejerce reacción química alguna sobre los alimentos a tratar, actuando como agente protector contra la acción degradante del oxígeno, evitando, como consecuencia de ello, reacciones enzimáticas y poluciones fúngicas y microbianas. 7.2. Calidad física La formación de hielo en los tejidos, cambia de forma notable sus propiedades físicas. Veamos hasta que punto influye la cristalización del agua de constitución de un producto en su calidad. Para ello, es necesario tener en cuenta como están construídos los tejidos de pescados, carnes y vegetales.

8. PRINCIPIOS BASICOS DE CONGELACION Antes de analizar estos factores, vamos a recordar básicamente los principios físicos en los que se basa la congelación de los alimentos. 4

En la vida útil de un alimento, existen tres periodos claramente definidos, son: congelación, almacenamiento en estado congelado y descongelación. La calidad final del alimento reflejará el cuidado que éste ha recibido en las tres etapas. Dicha calidad quedará reflejada por la textura, color y sabor, así como el valor nutritivo del mismo. Los animales y las plantas están compuestos mayoritariamente de agua, que supone de un 70 a un 80% de su peso. Por lo tanto, el agua será el principal componente de los alimentos derivados de ellos. Cuando se congela un alimento, el agua que contiene se transforma en hielo. Esta separación o aislamiento del agua en forma de hielo (que, en efecto, deshidrata el alimento), es el principio en que se basa la congelación como método de conservación. Como consecuencia de ello, vamos a estudiar, a continuación, dos factores fundamentales que intervienen en la congelación de un alimento y son: su curva de congelación y las transformaciones físicas que producen en el tejido celular.

9. CURVAS DE CONGELACION Si un recipiente de agua a temperatura ambiente se coloca en un congelador, se observa que su temperatura decrecerá rápidamente al principio, a causa de la gran diferencia existente entre la temperatura del agua y la que hay en el interior el congelador. A 0ºC, el agua se transforma en hielo y durante cierto tiempo, su temperatura permanece constante. Cuando la cristalización es completa, la temperatura del hielo desciende hasta que se equilibra con la que hay en su ambiente. Cuando el agua se transforma en hielo, absorbe 80 Kcal/Kg., correspondiente al calor latente de cristalización; mientras dura la cristalización, la temperatura permanece constante, como indica el tramo horizontal de la curva. La longitud de este tramo, está determinada por la velocidad a que se disipa el calor. La ligera depresión que se observa al principio del mismo, indica que el agua sufrió un cierto grado de sobre-enfriamiento antes del inicio de la cristalización; el agua se enfrió entre -1 y -2ºC antes de que se empezaran a formar los cristales. Esto ocurrirá cuando haya una gran velocidad de eliminación de calor y asegura que, cuando se inicie la formación de cristales, esta será rápida. Para congelar un Kg. de agua desde +20ºC a -20ºC, necesitaremos absorber 110 Kcal/Kg., considerando que el calor específico del agua por encima del punto de congelación es 1; y por debajo de su punto de congelación 0,5. El agua de los alimentos no es agua pura, sino una solución de sales, azúcares y proteinas. Mientras que el agua pura congela a 0ºC, el punto de congelación de una solución siempre está por debajo de esta cifra, siendo proporcional a la concentración de los solutos.

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Figura 1. Curva de congelación de agua

Figura 2. Curva de congelación de un producto

La carne, los pescados y los vegetales, tienen punto de congelación entre 0 y -4ºC. Esta es la zona conocida como zona de máxima formación de cristales. Algunos alimentos preparados con escaso contenido en agua, tienen punto de congelación más bajo. 10. TEJIDO CELULAR Los tejidos de los pescados, carnes y vegetales, están constituídos por células. Estas células están formadas por agua de constitución (agua celular) y agua intercelular o extracelular.

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También en un tejido existe lo que se llama isotonía, es decir, igualdad de presiones osmóticas entre las células que lo constituyen. Si la congelación es rápida, los cristales que se forman son pequeños y si es muy lenta éstos son muy grandes. Pero la velocidad de congelación afecta, no sólamente al tamaño de los cristales, sino también a su localización. Si la congelación es muy rápida, se forman cristales muy pequeños en el interior de las células; pero si es lenta, los cristales se forman en los espacios intercelulares. El fluído que rodea a las células (el intercelular) está constituído por una solución menos concentrada en nutrientes que el contenido en el interior de las células y, por lo tanto, se congelará a una temperatura menos baja. El agua sale de las células y se incorpora a los cristales gruesos del líquido intercelular, dejando las células deshidratadas y desnaturalizadas. Las células se contraen y se deforman, mientras que los cristales intercelulares siguen creciendo. Otros factores que influyen en incrementar el tamaño de los cristales, es la variación de la presión de vapor que ocurre en los alimentos cuando se congelan. A la temperatura del congelador, la presión de vapor ejercida por las moléculas de agua en el aire en o con los cristales de hielo, es menor que la del agua no congelada y, por ello, hay una tendencia a que las moléculas de agua migren hacia los cristales ya formados y se agreguen a ellos. Al descongelar el producto, quedará blando y habrá perdido gran parte de su jugo, de su gusto y de su textura. Si la congelación es rápida: 1º) Se forman mucho núcleos cristalinos de agua de pequeño volumen. Cada molécula de agua congela en su sitio de origen sin participar en el crecimiento de la adyacente. 2º) Conserva la isotonía, pues no se produce expulsión de los líquidos con punto de congelación más bajo.

11. CONCLUSIONES Como consecuencia de todo lo anteriormente expuesto, la única garantía que tenemos de que un producto no sufra alteraciones, tanto físicas como microbianas, es efectuando una congelación lo más rápidamente posible y esta rapidez queda garantizada como con ningún otro sistema, congelando con NITROGENO LIQUIDO. 11.1. Otras ventajas 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 12º

Ausencia de pérdida de peso en el proceso de congelación Reducida inversión inicial en el equipo frigorífico Gastos de mantenimiento despreciables Pequeña ocupación de espacio Reducido consumo de energía eléctrica Flexibilidad Versatilidad Simplicidad de manejo Disponibilidades inmediatas de los equipos Reducción de mano de obra Perfecto glaseado en las proporciones que se quiera, en un tiempo mínimo, sin pérdidas considerables de temperatura del producto.

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