Procesos de Conservación de Alimentos
August 14, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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CAPÍTULO DECIMOPRIMERO
Congelación 1. EL PROCESO DE CONGELACIÓN
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Al descender la temperatura las moléculas de agua tienden a agregarse en cristales. Esta cristalización cristalizaci ón supone el paso de las moléculas de agua desde una distribución desordenada (líquido) hasta un estado de ordenación molecular (sólido). El proceso de ordenación molecular requiere el desplazamiento de las moléculas desde su posición inicial hasta aquella que les corresponde en la estructura organizada, para ello será necesario que dispongan de la suficiente movilidad y de tiempo. El proceso de congelación incluye una serie de fases: subenfriamiento, nucleación y crecimiento de los cristales formados, que están estrechamente influenciadas por variables termodinámicas, cinéticas y de producto. La modificación de estas variables puede producir cambios importantes en la distribución de los cristales de hielo y, como consecuencia, en la calidad del producto congelado. 1.1. SUBENFRIAMIENTO Antes de que se produzca la cristalización hay que colocar al producto en un estado termodinámicamente inestable que propicie el comienzo de la formación de agregados submicroscópicos de agua que produzcan la interfase adecuada, necesaria para la transformación de líquido a sólido. Esto se consigue con el subenfriamiento, o sea enfriando el producto por debajo de su punto de congelación. El grado de subenfriamiento necesario vendrá marcado por el inicio de la nucleación. En ausencia de un germen de nucleación estable, la separación de fases no es posible mientras las moléculas de líquido no se coloquen por sí mismas en la configuración del sólido.
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1.2. NUCLEACIÓN La cristalización se inicia cuando las condiciones son apropiadas para que se produzca la agregación de un grupo de moléculas en una diminuta partícula ordenada, que se conoce como núcleo de cristalización. A temperaturas inferiores al punto de fusión, o sea en un estado de suben-
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friamiento, los agregados tienen una interfase consuperficie-volumen el líquido subenfriado termodinámicamente inestable. Mientras la relación del agregado sea grande (es decir, mientras el volumen sea pequeño) la energía superficial total en la interfase constituye una barrera que dificulta su crecimiento. Cuando el tamaño del agregado se incrementa van ampliándose también sus probabilidades de crecimiento, hasta que se alcanza el llamado radio crítico en el que las probabilidades de crecer o de desintegrarse son las mismas. Más allá del radio crítico el agregado se considera un núcleo de cristalización activo y el proceso de crecimiento se convierte en espontáneo. Los factores que afectan al tamaño crítico del núcleo incluyen la energía interfacial, el calor latente de fusión y el grado de subenfriamiento. Cuanto mayor sea el subenfriamiento menor será el radio crítico a partir del cual los núcleos de cristalización alcanzarán la estabilidad. La nucleación puede ser homogénea o heterogénea. La nucleación homogénea se produce en sistemas puros y lleva a la formación de cristales tridimensionales. La probabilidad de que ocurra una nucleación homogénea en agua a 0ºC es prácticamente nula. Esta probabilidad se incrementa según crece el subenfriamiento, siendo máxima cuando se llega a los –40ºC. La nucleación heterogénea es más importante en los procesos de congelación. Este tipo de nucleación tiene lugar cuando el medio no es totalmente puro, y los agregados de agua se unen sobre un agente de nucleación extraño, como pueden ser las paredes del recipiente o más comúnmente alguna partícula de material insoluble. En contraste con la nucleación homogénea, la probabilidad de que ocurra la nucleación heterogénea con un subenfriamiento pequeño es alta, porque las partículas sobre las que se fijan los agregados incrementan su estabilidad facilitando el proceso. Parece ser que la nucleación heterogénea tiene una energía de activación menor que la homogénea, por lo que es razonable pensar que está producida por un mecanismo catalizado. Generalmente se acepta que la geometría del material de nucleación y particularmente sus propiedades de superficie juegan un importante papel en su capacidad de catálisis. Si la estructura de la partícula es compatible con la organización de las moléculas de agua en el agregado, la impureza facilitará su crecimiento. La nucleación heterogénea del agua solo exige su subenfriamiento hasta –4ºC, y produce cristales bidimensionales. Podemos distinguir un tercer tipo de nucleación, que sucede en los procesos de concentración por congelación de alimentos líquidos en cristalizadores por cargas. Se denomina cristalización cristalización secundaria o por contacto. A diferencia de la congelación de alimentos, en la que se favorece una nucleación extensiva, en la
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concentración por congelación se busca la aparición de pocos núcleos de cristalización, que produzcan cristales grandes, esféricos, de tamaño uniforme y de separación fácil. Los núcleos secundarios se forman cuando el desgaste microscópico de los cristales existentes en el cristalizador, producido por las palas del agitador, consigue que pasen a la fase líquida fragmentos de estos cristales. Si estos fragmentos sobreviven en la fase líquida, se consideran núcleos secundarios que pueden crecer y propagarse. El resultado de este pro-a cesode es cristalización que la nucleación y el crecimiento de los cristales pueden producirse mayor temperatura que la nucleación heterogénea. 1.3. CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES
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Durante el subenfriamiento las moléculas de agua se encuentran en un estado termodinámicamente inestable en el cual las fuerzas que tienden a ordenarlas son más importantes que las que tienden al desorden. A partir del momento en que la nucleación ya es efectiva, las moléculas de agua se mueven rápidamente para alcanzar la estabilidad termodinámica como cristales de hielo. El crecimiento de los cristales se produce cuando el número de moléculas de agua capaces de difundirse a lo largo de la interfase, y de situarse orientadas en una posición de crecimiento del cristal, es mayor que las que se separan del mismo. El mecanismo y la velocidad de crecimiento de los cristales dependen de la morfología de su superficie. Mientras la superficie superf icie sea rugosa y con muchos pliegues el crecimiento será continuo, pero cuando se vaya alisando se reducirá la velocidad de crecimiento y comenzarán a funcionar otros mecanismos. En condiciones de subenfriamiento ligero, la velocidad de crecimiento de los cristales se ve favorecida por los defectos que éstos tengan. En el caso de altas velocidades de enfriamiento, la existencia de defectos parece que tiene menos importancia ya que entonces las moléculas tienen mayor probabilidad de orientarse correctamente en ausencia de los pliegues. Si consideramos el crecimiento de cristales en una disolución acuosa, el problema se complica, según serestante va separando hielo enpor forma pura se la concentración del solutoyaenque el líquido se incrementa, lo tanto producirá una depresión en la temperatura de congelación de la fase no congelada. Es decir que la temperatura de congelación se irá reduciendo a la vez que los cristales vayan creciendo. Si el crecimiento de los cristales se produce en los tejidos de un alimento, éste puede sufrir cambios microestructurales cuya extensión será función de la localización de los cristales de hielo, que dependerá de la velocidad de congelación y de la permeabilidad del tejido considerado. En el caso de tejidos vegetales, durante una congelación lenta el hielo se formará en los espacios extracelulares, resultando resul tando de esta forma que las células se verán rodeadas de una matriz rica en hielo, y por lo tanto de alta concentración en solutos, y a baja temperatura. Esto crea un gradiente osmótico entre el
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interior de la célula y la matriz extracelular que permitirá la transferencia de agua desde dicha célula hacia la matriz, que actuará como un intento del sistema de reducir el desequilibrio osmótico y térmico. Este agua que ha cambiado de posición se congelará en el exterior de la célula incrementando de tamaño a los cristales existentes y produciendo a la vez una deshidratación extensiva de las células, que presentarán una apariencia arrugada. Además, cuando transferencia de si agua alta las una paredes celularesde pueden llegar a larasgarse. Por elosmótica contrario, se es consigue eliminación calor rápida, en comparación con la pérdida de agua osmótica, el agua se congelará dentro y fuera de las células formando pequeños cristales, obteniéndose así un producto congelado de mejor calidad. Esto ocurrirá principalmente cuando la permeabilidad de los tejidos sea baja, de forma que el agua pueda subenfriarse dentro de la célula hasta el punto en que comience a formarse hielo intracelular. Si por el contrario la permeabilidad es e s alta, la célula tenderá a deshidratarse sea cual sea la velocidad de enfriamiento. Los tejidos animales presentan propiedades diferentes. En este caso la membrana es menos efectiva en cuanto a la propagación de agua, por lo que prevalece la formación de hielo intracelular. En general la estructura de la carne se ve menos afectada por la congelación queenlacomparación de los vegetales, parcialmente a la naturaleza flexible de sus fibras con ladebido naturaleza semirígida de las células vegetales. 1.4. RECRISTALIZACIÓN DURANTE EL ALMACENAMIENTO DEL CONGELADO
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Los cristales de hielo son inestables i nestables y cambian de tamaño, forma y número durante el almacenamiento a temperaturas de congelación. Este fenómeno se conoce como recristalización, y puede ser extremadamente dañino para la textura de los alimentos. El proceso de recristalización puede producirse a temperatura constante o a temperatura variable. A temperatura constante se produce la unión de cristales adyacentes como resultado de que el sistema tiende a reducir su superficie para incrementar su estabilidad. Si la temperatura fluctúa, en el momento en que se incremente se producirá la fusión de los cristales pequeños y, cuando vuelva a descender, el agua producida cristalizará sobre la superficie de otros cristales incrementando su tamaño, ya que la probabilidad de que se vuelvan a producir núcleos de cristalización independientes será prácticamente nula. El resultado neto de ambos procesos es que el número de cristales disminuye mientras que el tamaño medio se incrementa, aunque la cantidad de hielo permanezca relativamente constante. La mejor forma de reducir el grado de recristalización durante el almacenamiento en congelación consiste en utilizar temperaturas bajas y lo más uniformes posible.
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1.5. EL ESTADO VÍTREO Los sistemas alimentarios son muy complejos y contienen concentraciones relativamente altas de solutos que se ven incrementadas, cuando comienza el proceso de congelación, por la consiguiente separación de cristales puros de agua. El estado vítreo aparece cuando un líquido, por lo tanto de estructura mole-
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cular desordenada, se enfría rápidamente por debajo de su temperatura de congelación de forma que lamuy movilidad translacional de sus moléculas disminuye tanto que son incapaces de alcanzar su posición de equilibrio para formar la estructura cristalina. Por ello, la solidificación ocurre con las moléculas dispuestas en forma desordenada, con un volumen y una entalpía mayores de los que debería tener el estado ordenado (cristal) a la misma temperatura. La formación de un estado vítreo en un alimento se consigue por eliminación de grandes cantidades de agua, como ocurre durante la congelación. Esto será posible si los solutos presentes en el sistema (monosacáridos, disacáridos o material polimérico) no cristalizan y por lo tanto no forman una mezcla eutéctica, como suele ocurrir en la mayoría de los casos con los alimentos. Cuando se congela una solución de estos productos, la continua separación de hielo incrementa la concentración de soluto y deprime el punto de congelación de la fase líquida no congelada. El incremento de viscosidad de la fase no congelada, debido al aumento de su concentración y a la reducción de su temperatura, restringe la movilidad del agua para alcanzar las posiciones de equilibrio, necesarias para la formación de cristales de hielo, hasta un punto en que la formación de más hielo queda imposibilitada. A la temperatura a la que se consigue este efecto se le denomina Tg’ (figura 1), en este punto la solución sobresaturada tiene las propiedades de un sólido ya que ha desaparecido la movilidad molecular. Este equilibrio termodinámico se puede representar en un diagrama de fases como una línea que se extiende desde la temperatura de fusión del agua pura (Tf = 0ºC) hasta la temperatura eutéctica del soluto (Te), punto en el que el soluto ha alcanzado su concentración de saturación al convertirse en hielo el agua de la solución. Si se hace descender la temperatura por debajo de Te, es altamente improbable que el soluto pueda cristalizar, debido a la alta viscosidad de la solución producida por la concentración alcanzada y la baja temperatura. Por lo tanto, al descender la temperatura por debajo de Te el proceso entra en un estado de equilibrio no estable. La fase líquida no congelada pasa por una transición que la lleva de líquido viscoso al estado vítreo y que está controlada por la reducción de la movilidad molecular y la cinética de difusión de sus componentes. La línea de transición vítrea se extiende desde la temperatura de transición vítrea del agua pura (Tg H20 = –134ºC) a la del soluto puro (Tg soluto). Por debajo y a la derecha de la línea de transición vítrea, la solución se encuentra en estado vítreo, con presencia o no de hielo según a la temperatura que se encuentre. Por arriba y a la izquierda de la línea de transición vítrea, la solución se encuentra en estado líquido, en el que aparecerá o no hielo según a que temperatura se considere.
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Por ejemplo: Una solución de sacarosa con una concentración inicial C 1 a temperatura ambiente estará representada por el punto A. El punto B representaría la temperatura de transición vítrea de esta solución si se pudiera enfriar hasta ese punto sin que se produjera formación de hielo.
Figura 1.–Diagrama de fases para una disolución acuosa.
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Sin embargo, cuando el sistema se enfría lentamente por debajo de su punto de congelación, en el punto C comenzarán la nucleación y la consiguiente cristalización, iniciándose el proceso de concentración por congelación al separarse agua pura en forma de hielo. Si el proceso de congelación continúa, la cristalización seguirá su curso, produciéndose un incremento continuo de la concentración del soluto que conseguirá deprimir cada vez más el punto de congelación de la fase líquida no congelada, que seguirá la línea de líquido de la figura. La cristalización del soluto al llegar a la temperatura T e es improbable, por lo que la concentración de la solución continuará más allá de Te en un estado que ya no es de equilibrio porque la solución se encuentra sobresaturada. Cuando se alcanza una determinada concentración, el líquido no congelado exhibe una gran resistencia a la movilidad y el estado de la fase líquida no congelada cambia de líquido visco-elástico a sólido vítreo, amorfo y quebradizo. Se ha alcanzado la intersección de la curva de líquido (prolon-
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gada más allá de la temperatura Te) y la curva de transición vítrea. El punto D de la figura se encuentra a la temperatura vítrea de máxima concentración por congelación del soluto T’g, en el que la formación de hielo es tan lenta que prácticamente cesa. La concentración máxima de agua y de sacarosa atrapadas en el estado vítreo a la temperatura T’g y que no podrán cristalizar es respectivamente W’g y C’g. La lentitud intrínseca en la reorganización molecular que se alcanza ade temperaturas inferiores a T’ g es la que se busca para incrementar la estabilidad los alimentos congelados.
2. EFECTOS DE LA CONGELACIÓN SOBRE LOS ALIMENTOS La congelación es un sistema de conservación que puede afectar en determinado grado a la calidad de los alimentos. Por lo tanto será necesario estudiar los efectos que este tratamiento tiene sobre la estructura de los productos (evidentemente de aquellos que la tengan), que van a exteriorizarse como cambios en su textura, y los efectos sobre la l a flora microbiana presente en el alimento, al imento, que van a ser determinantes de la vida media del producto después de ser descongelado. 2.1. MODIFICACIÓN DE LA ESTRUCTURA POR EFECTO DE LA CONGELACIÓN
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Los alimentos se pueden clasificar en dos grandes grupos: • los que constituye constituyenn un sistema biológico biológico organiz organizado, ado, provisto provisto de una estructura celular ordenada, como pueden ser las frutas, las hortalizas, los tubérculos, las carnes, etc. • los que no poseen poseen una estructu estructura ra celular organ organizada, izada, como como los zumos zumos de frutas. Los primeros serán los que estarán en condiciones condici ones de sufrir los efectos per judiciales de la congelación, ya que son los que tienen unas estructuras que pueden verse afectadas por la aparición de los cristales de hielo. A continuación se exponen las modificaciones que pueden aparecer en la estructura de estos alimentos a causa del proceso de congelación. 2.1.1. Daños mecánicos provocados por el incremento de volumen del agua al congelarse El agua pura a 0ºC incrementa un 9% aproximadamente su volumen al congelarse a la misma temperatura. Por lo tanto, la formación de hielo irá siempre acompañada de un incremento en el volumen ocupado en la estructura del producto congelado, que producirá daños de mayor o menor magnitud de acuerdo con las características del tejido que se esté congelando. Los materia-
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les con un elevado contenido en agua y pocos espacios intercelulares con aire son especialmente susceptibles a este est e tipo de daño, ya que no podrán acomodar en sus espacios intercelulares los cristales en crecimiento, minimizando los efectos del incremento de volumen. En las muestras de gran tamaño la superficie exterior solidifica antes que el interior de la pieza. Cuando se congela el interior, y por lo tanto incrementa su volumen, se pueden generar presiones muy altas llegan conseguir la ruptura violenta de la capa exterior, con la pérdida deque calidad quea esto comporta. 2.1.2. Daños mecánicos provocados por la migración del agua En apartados anteriores se ha visto que la velocidad de congelación va a determinar que la cristalización se produzca extra e intracelularmente o bien únicamente en los espacios intercelulares. Cuando se produce este último caso las células se deshidratan a causa del flujo osmótico de agua que sale de su interior hacia el espacio extracelular. Esta migración conseguirá que la célula sufra un efecto plasmolítico más o menos severo que podrá producir incluso la rotura de las paredes celulares. 2.2. DAÑOS CAUSADOS POR LOS CAMBIOS EN LA DISPOSICIÓN ESPACIAL DE LOS SOLUTOS
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Se ha visto que el crecimiento de los cristales se realiza tomando agua del sistema biológico que se esté congelando, y que la separación del agua de las disoluciones de las que formaba parte va convirtiéndolas en soluciones progresivamente más concentradas, a la vez que va reduciéndose su punto de congelación. En estas condiciones, y mientras se completan las etapas del cambio de estado, se producen migraciones de solutos, que se desplazan de las zonas en que primeramente se inicia la cristalización (en las que la concentración de solutos en la fase no congelada es por tanto más alta) hacia las que se congelan en lugar yy en que, pormenores. lo tanto,Este las concentraciones de solutos no de se hanúltimo modificado sonlaspor ello cambio de posición espacial los solutos es tanto más importante cuanto más lento sea el proceso de congelación, y puede provocar modificaciones indeseadas en propiedades tan importantes como: el pH, la acidez valorable, la viscosidad, la presión osmótica, la tensión de vapor, la tensión superficial y el potencial redox. 2.3. INFLUENCIA DE LA CONGELACIÓN SOBRE LA FLORA DE LOS ALIMENTOS La actividad de los microorganismos presentes en los alimentos se detiene a temperaturas de congelación. Cuando se disminuye la temperatura solo son capaces de crecer los microorganismos psicrófilos, aunque su grado de multi-
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plicación será progresivamente más bajo según descienda la temperatura. El límite de desarrollo de estos microorganismos se sitúa a –12/–17ºC, salvo raras excepciones, por lo tanto a las temperaturas de almacenamiento de congelados habituales (–18ºC) se podrá aceptar que los alimentos están prácticamente libres de desarrollo microbiano. Sin embargo, cuando el crecimiento microbiano se detiene por el empleo de temperaturas bajas, la actividad enzimática de origen microbiano continuar, y estopsicrófilos es importante en estemayor caso ya que se ha demostrado quepuede los microorganismos producen cantidad de enzimas durante su crecimiento a bajas temperaturas que a altas temperaturas. De este modo se puede producir el deterioro de los alimentos por estas enzimas incluso a temperaturas demasiado bajas para que se produzca crecimiento de microorganismos. Se ha demostrado que las temperaturas de congelación producen la muerte de algunos microorganismos de importancia en los alimentos, consiguiéndose una reducción en el número de microorganismos viables presentes. Ahora bien, en ningún caso se puede hablar de esterilización del producto, por lo que los alimentos deberán poseer una buena calidad microbiológica antes de ser congelados. Es importante resaltar que los microorganismos patógenos para el
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hombre noelson psicrófilos, por lo que losafectarán microorganismos producirán en su caso deterioro del producto y no a la saludviables del consumidor. El efecto letal producido por la congelación se cree que es debido a la desnaturalización y floculación de las proteínas celulares. La media de gérmenes destruidos viene a ser del 50-80%, dependiendo el efecto letal conseguido del sustrato, del método de congelación y de la velocidad a la que se produzca el proceso. Una bacteria en fase de crecimiento logarítmico es destruida con mayor facilidad que en otras fases, y sus esporas suelen se más resistentes que las formas vegetativas. Está demostrado que las temperaturas comprendidas entre –1 y –5ºC son las que destruyen las bacterias a mayor velocidad. Las temperaturas de congelación y almacenamiento muy bajas no son más letales que las moderadamente bajas, lo mismo que la congelación rápida disminuye muy el número de bacterias presentes el alimento. Es decir el sistema poco de congelación menos adecuado paraen mantener la calidad delque producto original, la congelación lenta, va a ser el que presente una mayor letalidad frente a la flora existente en el alimento. El número de microorganismos viables también descenderá al prolongar el tiempo de almacenamiento, aunque este descenso es muy gradual, pudiendo sobrevivir ciertos microorganismos después de varios años de conservación. No hay que olvidar que en un proceso de congelación se produce una eliminación del agua disponible en forma de cristales de hielo, por lo tanto ta nto la congelación a través de su efecto sobre el agua disponible, va a ejercer una acción selectiva sobre la microflora del alimento, que completará a la ya descrita de las bajas temperaturas. Después de todo lo dicho, no hay que perder de vista que la congelación en ningún caso va a conseguir un efecto significativo sobre la flora microbiana
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presente en el alimento, ya que en el momento de la descongelación la población que permanezca en disposición de multiplicarse será capaz de deteriorar al alimento en un tiempo muy corto ya que, como también se ha visto, este proceso habrá producido daños en la estructura celular del alimento que facilitarán el ataque de los microorganismos.
3. PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN El tiempo de congelación es un parámetro básico para el diseño de los sistemas de congelación, y determina las condiciones en las que el alimento se expone este proceso para alcanzar la temperatura final deseada y la calidad buscada. Generalmente se entiende como tiempo de congelación el requerido para que el producto pase de su temperatura inicial hasta la que se haya establecido como final, midiendo esta temperatura en la localización en la que el enfriamiento se produzca más lentamente. La evolución de la temperatura en un proceso de estas características se muestra en la gráfica 1. el proceso guirEn varias etapas: de congelación descrito por dicha gráfica se pueden distin• Tramo A-B: enfriamiento del producto desde la temperatura inicial hasta la temperatura de subenfriamiento. En este tramo se transfiere calor sensible.
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C ° a r u t
a r e p m e T
Gráfica 1.–Evolución de la temperatura durante el proceso de congelación.
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• Tramo B-C : subenfriamiento. La congelación solo comienza después de haberse alcanzado un determinado grado de subenfriamiento, a continuaconti nuación se produce un ligero incremento de la temperatura cuando se comienza a liberar calor latente latent e a mayor velocidad que la conseguida por el sistema de congelación en su disipación. • Tramo C-D: congelación propiamente dicha. En este tramo se transfiere fundamentalmente calor latente, por lo tanto la temperatura se mantiene casi constante. La ligera disminución de la temperatura que se aprecia se debe al incremento de concentración de la fase no congelada, que produce un descenso del punto de congelación. En la mayoría de los casos es muy difícil determinar la posición del punto D, por lo que habitualmente se fija en el momento en que el producto alcanza la temperatura de –4ºC, que corresponde en la mayoría de los casos a la congelación de aproximadamente un 70% del agua del alimento. • Tramo D-E : subenfriamiento del congelado. En este tramo la temperatura del producto desciende hasta alcanzar el nivel deseado para final del proceso, por lo tanto se intercambia fundamentalmente fundament almente calor sensible.
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Laensimulación la congelación no es tarea ya que que secomo se ha visto, el procesodecompleto se encuentran tramosfácil, en los intercambia calor sensible (en los que se pueden considerar invariables las propiedades termofísicas del producto), mientras que en otro se intercambia fundamentalmente calor latente, y se produce el consiguiente cambio de estado en el que sufren una sustancial variación las propiedades del producto: densidad, calor específico, conductividad térmica y por lo tanto difusividad térmica. La simulación de los tramos en los que no hay cambio de estado puede hacerse del mismo modo que se hizo en el Capítulo IV para simular el calentamiento de los alimentos durante los tratamientos térmicos, empleando la ecuación general que describe la variación de la temperatura en función del tiempo en un proceso de transmisión de calor, que para un cuerpo tridimensional tomaría la forma, si se acepta que la difusividad térmica permanece constante durante el proceso: δ T =α δ t
[
δ2T δ2T δ2T + + δ x2 δ y2 δ z2
]
donde: α = difusividad térmica (m2.s –1) T = temperatura (K o ºC) t = tiempo (s) x = desplazamiento en la coordenada x (m) y = desplazamiento en la coordenada y (m) z = desplazamiento en la coordenada z (m)
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La simulación del tramo de congelación propiamente dicha es más compleja, ya que es necesario además simular con la suficiente precisión la evolución de las propiedades termofísicas del producto durante el cambio de estado. Esta dificultad ha llevado a que históricamente hist óricamente se hayan utilizado modelos más sencillos, que sin embargo son capaces de llegar a un resultado suficientemente aproximado para su empleo industrial. El modelo más utilizado es el propuesto por Plank en 1913 y adaptado para los alimentos por Ede (1949), que se expresa con la siguiente ecuación: ρ · L t c = T c – T m
[
P·a R · a 2 + h k
]
donde: tc = tiempo de congelación (s) ρ = densidad del producto congelado (kg.m –3) L = calor latente de fusión (J.kg –1) Tc = temperatura de congelación del producto Tm = temperatura del medio de congelación a = dimensión característica del producto (m) h = coeficiente de transferencia de calor por convección (W.m –2.K –1) k = conductividad térmica del producto congelado (W.m (W.m –1.K –1) P y R = coeficientes que dependen de la forma del producto, que toman los valores siguientes:
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P
R
Lámina infinita
1/2
1/8
Cilindro infinito
1/4
1/16
Esfera
1/16
1/24
En el caso de cuerpos paralelepipédicos, los valores de P y R se obtienen de la gráfica 2. Los valores de β1 y β2 necesarios para entrar en dicha gráfica se obtienen dividiendo los valores de la longitud de las dos aristas más largas del paralelepípedo por el de la más corta. En la ecuación de Plank, la dimensión característica a es el espesor para la lámina infinita, mientras que para el cilindro infinito y la esfera es el diámetro. A pesar del uso que se ha hecho del modelo de Plank, éste tiene grandes limitaciones. En primer lugar, se asume que la congelación se produce a temperatura constante, lo que ya se ha visto que no es cierto, además se consideran también constantes el calor latente de fusión y la conductividad térmica durante el proceso de congelación.
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Congelación
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Gráfica 2.–Valores de P y R para cuerpos paralelepipédicos en la ecuación de Plank.
Otra gran limitación de este modelo es que solamente considera el tiempo efectivo de congelación, sin tener en cuenta los tiempos que transcurren para que el producto pase de la temperatura inicial a la de congelación y de ésta a la final de tratamiento. Para eliminar esta limitación se han propuesto una serie de modificaciones a la ecuación inicial, buscando obtener unos resultados más ajustados a la realidad, entre las que cabe destacar la efectuada por Nagaoka:
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ρ · L’ t c = T c – T m
donde:
P·a R · a2 + h k
[
]
L’ = [1 + 0,00445 (T 0 – T c)][c pi (T 0 – T c) + X w · L + c pc (T c – T f )]
siendo: T0 = temperatura inicial del producto Tc = Temperatura Temperatura de congelación Tf = temperatura final del producto cpi = calor específico del producto antes de congelar (J.kg –1.K –1) cpc = calor específico del producto congelado (J.kg –1.K –1) Xw = contenido en agua del producto (tanto por uno en base húmeda) L = calor latente de fusión del hielo (J.kg –1)
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Como se puede apreciar, en esta modificación de la ecuación de Plank se tiene en cuenta la entalpía intercambiada en el enfriamiento del producto hasta la temperatura de congelación, y en el que consigue llevarlo hasta la temperatura final de proceso. Pese a mantener algunas de las limitaciones del modelo de Plank, esta modificación consigue resultados aceptables para el cálculo de la duración del proceso de congelación y además permite analizar el peso de las distintas variables intervienen en este En primer lugar que se puede observar queproceso. el tiempo de congelación es directamente proporcional a la dimensión característica del producto, lo que significa que para reducir los tiempos de congelación se deberá reducir su espesor o su diámetro. La forma del producto ejercerá una gran influencia sobre el tiempo de congelación, ya que la velocidad de congelación de una esfera es mayor que la del cilindro del mismo diámetro y que la de la placa del mismo espesor, según se desprende de los valores respectivos para los coeficientes P y R. En el proceso de congelación intervienen dos mecanismos de transmisión de calor: transmisión de calor por convección desde el medio enfriador hasta la superficie del producto (salvo en el caso de los congeladores por contacto), y transmisión de calor dependerá por conducción en caso la masa producto. El peso relativo de cada mecanismo en cada del del tamaño del producto: cuando el espesor del producto es pequeño el mayor peso lo tendrá el proceso de convección y será la conducción la que tenga el mayor peso en el caso de productos de gran espesor. Como la conductividad térmica del producto depende de su composición y es un factor sobre el que no es posible intervenir, solo se puede actuar sobre el coeficiente de convección, h, que depende directamente del sistema de congelación que se haya elegido, y de las condiciones en la que esta se realice, encontrándose en la práctica grandes diferencias como puede verse en la tabla 1. Tabla 1. Valor del coeficiente de convección para p ara los distintos sistemas de congelación . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C
h (W.m –2.K –1)
Congelación en cámara sin aire en movimiento
6
con débil corriente de aire
10-17
con alta corriente de aire
12-50
Congelación en túnel con alta velocidad de aire
35-60
Congelación en lecho fluidizado
90-130
Congelación en placas múltiples
600-1.200
Congelación por pulverización de nitrógeno líquido Congelación por inmersión en nitrógeno líquido
1.200-2.400 6.000
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El último factor a considerar en este proceso es el salto térmico entre la temperatura del medio enfriador y la de congelación del producto. Para reducir el tiempo de congelación se puede actuar sobre la temperatura del medio enfriador haciéndola tan baja como sea posible. Cuanto más bajo sea el coeficiente de transmisión de calor por convección del sistema de congelación empleado, más necesario será que la temperatura del agente enfriador sea baja, si se pretenden velocidades altas de congelación.
4. MODIFICACIONES MODIFICACIONES DE LA CALIDAD DEL PRODUCTO DURANTE SU ALMACENAMIENTO EN CONGELACIÓN La calidad de los alimentos congelados no permanece invariable durante todo el tiempo de almacenamiento, se va reduciendo en función de la temperatura de conservación y del tipo de producto considerado. Los cambios produciproduci dos en el alimento se deberán fundamentalmente a fenómenos físicos y químicos, ya que a las temperaturas de almacenamiento no se produce crecimiento microbiano. 4.1. ALTERACIONES DE LA CALIDAD DEBIDAS A FENÓMENOS FÍSICOS
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Las alteraciones más importantes que tienen lugar desde este punto de vista se deben a dos fenómenos: recristalización y sublimación, que tienen que ver con la estabilidad del hielo en el interior y en la superficie del producto. El proceso de recristalización ya se ha descrito con anterioridad en este mismo Capítulo, sin embargo hay que resaltar que la recristalización puede eliminar las ventajas derivadas de una congelación rápida. La sublimación del hielo en la superficie del producto puede ocurrir durante el almacenamiento del alimento, llevándolo a la desecación, con la consiguiente acumulación de escarcha dentro del envase. Además de producirse la consiguiente pérdida de peso, este proceso puede incrementar el riesgo de oxidación en superficie, lo que influye negativamente en la calidad del congelado. Ambos procesos, recristalización y desecación superficial, se aceleran con las fluctuaciones de temperatura de almacenamiento y su importancia se reduce cuanto más baja es esta temperatura. 4.2. ALTERACIONES DE LA CALIDAD DEBIDAS A FENÓMENOS QUÍMICOS Pese a las bajas temperaturas, en la conservación de alimentos congelados, pueden producirse una serie de reacciones químicas debidas o no a procesos
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enzimáticos. Su influencia en la calidad de los productos es muy grande, porque estas reacciones están asociadas, por ejemplo en los vegetales, con cambios en el aroma y en el color por causa de la rotura de las moléculas de los pigmentos, por la aparición del pardeamiento enzimático o por la autooxidación del ácido ascórbico. El etanol y otros volátiles producidos por la glicolisis se acumulan en los tejidos vegetales que no han sido convenientemente escaldados. Esta acumulación produce malos sabores y olores que pueden mantenerse incluso después del cocinado. Cuando los productos se han sometido a un escaldado eficiente, en el que se hayan inactivado las oxidasas presentes, no se desarrollarán malos sabores ni olores durante el almacenamiento. Los vegetales congelados sufren también alteraciones más o menos intensas en el color durante el almacenamiento, debidas a los cambios que se producen en los pigmentos naturales: clorofilas, antocianinas y carotenoides, o por pardeamiento enzimático. El color característico de guisantes, judías verdes y espinacas tiende a pardear durante al almacenamiento a –18ºC debido a la transformación de las clorofilas a y b en sus correspondientes feofitinas. Estos cambios de color se producen a mayor velocidad en los productos que no se han escaldado correctamente en los almacenados a temperaturas altas.de Enun la tabla 2 se puedeo ver el tiempo necesario para que se excesivamente produzca la pérdida 10% de clorofila en distintos productos y a varias temperaturas. Tabla 2. Tiempo necesario (meses) para que se produzca una pérdida del 10% de clorofila Producto
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Temperatura de almacenamiento –18ºC
–12ºC
–7ºC
Guisantes
43
12
2,5
Hojas de espinaca
30
6
1,6
Espinaca troceada
14
3
0,7
Judías verdes
10
3
0,7
Puede observarse la influencia del troceado y de la temperatura de almacenamiento en la velocidad de degradación de la clorofila. Los cambios de color producidos por la degradación de antocianinas y carotenoides también se evitan con un escaldado apropiado, que eliminará la lipoxigenasa y los peróxidos derivados de los ácidos grasos poliinsaturados. El escaldado es también el mejor sistema para prevenir el pardeamiento enzimático producido por la oxidación de los polifenoles catalizada por la polifenol oxidasa, aunque también se puede controlar en algunos alimentos por adición de ácido cítrico, metabisulfito, o con el uso de secuestrantes como los pirofosfatos. Un escaldado inapropiado de los tejidos vegetales puede permitir la oxidación del ácido ascórbico catalizada por la enzima ascorbato oxidasa, oxi dasa, sobre todo
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si se emplean envases permeables al oxígeno. La velocidad de oxidación de ácido ascórbico depende de la temperatura de almacenamiento y del pH del producto. Pequeñas elevaciones de la temperatura por encima de –18ºC pueden influir de forma muy importante en la degradación de este ácido. La estabilidad del ácido ascórbico se incrementa cuando se reduce el pH. 4.3. EFECTO COMBINADO DEL TIEMPO Y DE LA TEMPERATURA DURANTE EL ALMACENAMIENTO El deterioro de la calidad inicial del producto debido a los cambios físicos y químicos es función de la temperatura y de la duración del almacenamiento. El efecto combinado de esos dos factores: tiempo y temperatura (TT) determina la tolerancia (T) del producto al almacenamiento en congelación, apareciendo así los que se llaman factores TTT. Para casi todos los alimentos congelados la duración posible de almacenamiento aumenta cuando la temperatura disminuye. La relación duración/temperatura está recogida por las curvas TTT que pueden verse en la gráfica 3. En esta gráfica puede verse que, generalmente, la duración posible de almacenamiento aumenta cuando baja la temperatura, aunque existan excepciones a esta afirmación, ya que algunos productos como el tocino y las carnes saladas tienen una duración máxima de conservación a –12ºC.
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m a n e c a m l a o p m e i T
Gráfica 3.–Curvas TTT para algunos alimentos.
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Los estudios efectuados sobre los factores TTT han permitido concluir que, en condiciones normales, los efectos combinados del tiempo y de la temperatura sobre la calidad de los alimentos son acumulativos y el efecto total resultante es independiente de su secuencia. En otros términos, si un producto se almacena 8 meses a –20ºC y después 2 meses a –12ºC, su calidad será la misma que si se almacenase primero 2 meses a –12ºC y después 8 meses a –20ºC. Los valores de duración posible de almacenamiento dados por las curvas TTT se han obtenido de productos con una alta calidad inicial que fueron procesados, envasados y almacenados en las mejores condiciones. Si se usan materias primas de menor calidad, procesadas y envasadas de forma inadecuada y almacenadas a temperatura fluctuante, la duración del almacenamiento posible será substancialmente más corta que la recogida en estas curvas. 4.4. FACTORES PPP P PP Los factores que se engloban bajo las letras PPP: producto-proceso-embalaje (packaging) son determinantes para la estabilidad de la calidad del alimento congelado durante su almacenamiento, junto con los factores TTT que se estudiaron en el apartado anterior. 4.4.1. Factor producto
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En este factor se engloba la naturaleza y calidad original de la materia prima congelada. Ciertos alimentos se conservan mejor en congelación que otros, por ejemplo la carne de vacuno se conserva mejor que la de cerdo, esencialmente porque la primera contiene menos ácidos grasos insaturados. La duración en conservación de las hortalizas congeladas depende de la especie y variedad de que se trate, de las condiciones agronómicas del cultivo, del grado de madurez en la cosecha y del tiempo transcurrido entre la recolección y la congelación. Las condiciones agronómicas incluyen el tipo de suelo, la fertilización aplicada, las condiciones climáticas sufridas durante el cultivo, el exceso o carencia de agua, etc. En el tiempo que transcurre desde la cosecha a la congelación los productos vegetales tienden a deshidratarse, a perder turgencia, algunos se vuelven fibrosos como los espárragos, o incrementan su dureza (como los guisantes) a gran velocidad, produciéndose en pocas horas las mismas pérdidas de calidad que tendrían lugar en varios meses de conservación a –18ºC, si no se les practica un preenfriamiento rápido y un transporte en refrigeración hasta la planta de congelación. 4.4.2. Factor proceso Las diferentes operaciones a las que se somete el producto antes de ser almacenado en estado congelado influyen de forma notable en la duración de su conservación. Comenzando por el lavado y todas las operaciones que le
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siguen: pelado, troceado, selección, etc. Todas ellas deben realizarse con el mayor cuidado y en las mejores condiciones de higiene, para prevenir las contaminaciones y los daños mecánicos que se puedan producir. El troceado, el corte en rodajas y las operaciones similares aumentan la superficie del producto expuesta al aire a la vez que producen lesiones muy importantes en los tejidos, por lo que se favorecerán las oxidaciones, las deshidrataciones y las alteraciones enzimáticas. El escaldado previo a la congelación de los vegetales tiene una gran influencia en su calidad. Los objetivos buscados por el escaldado se trataron con detalle en el Capítulo VI. La duración del proceso de escaldado dependerá del método usado para aplicarlo, del producto de que se trate, de su variedad, calibre, madurez y evidentemente de la temperatura elegida. La efectividad del proceso de escaldado se suele medir comprobando la actividad peroxidásica residual, ya que ésta es la enzima de mayor resistencia térmica de las presentes, aunque también resulten destruidas las oxidasas, catalasas y lipoxigenasas. En la mayoría de los alimentos la operación de congelado propiamente dicha no tiene mas que una influencia limitada en la calidad, aunque generalmente se impone una congelación rápida que propicie la formación de muchos cristales de hielo dedepequeño tamaño tengan menor incidencia posible sobre la integridad los tejidos del alimento alique mento y a lalavez impida el desarrollo de microorganismos y la actividad enzimática residual antes de que la temperatura descienda suficientemente en el interior del producto. 4.4.3. Factor embalaje
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Los productos congelados pueden sufrir daños mecánicos y alteraciones fotoquímicas cuya intensidad dependerá fundamentalmente del tipo de envase empleado. El material empleado en el embalaje de productos congelados debe cumplir las condiciones que se exigen al utilizado para envasar los alimentos en general: debe ser químicamente inerte y estable, libre de olores, libre de sustancias que puedan migrar al alimento e impermeable al vapor de agua, a las sustancias volátiles y a los olores externos. ext ernos. Además deberá permitir la congelación rápida del alimento en su interior y soportar su incremento de volumen durante la congelación (en el caso de que se congele envasado), ser impermeable a los líquidos, resistente a la humedad y a las bajas temperaturas, tan opaco a la luz como sea posible y permitir que el alimento sea tratado en microondas en su interior en el momento de la descongelación. Los alimentos susceptibles de sufrir alteraciones o pérdidas de aroma, pardeamiento enzimático o reducciones en la concentración de ácido ascórbico en presencia de oxígeno, mejoran su almacenamiento en congelación con el uso de envases impermeables a gases que permitan eliminar el oxígeno de su interior creando un vacío parcial o por inyección de un gas inerte, como puede ser el nitrógeno.
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