II Congreso Iberoamericano sobre Seguridad Alimentaria V Congreso Español de Ingeniería de Alimentos

Barcelona, 5 a 7 de Noviembre de 2008 © CIMNE, España 2008

SENSOR PARA LA DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA Y DEL

CONTENIDO DE HIELO DE UN ALIMENTO PARCIALMENTE CONGELADO A PARTIR DE MEDIDAS ULTRASÓNICAS

Cristina Aparicio*, Laura Otero, Bérengère Guignon, Antonio Diego Molina-García y

Pedro D. Sanz

Instituto del Frío, CSIC. MALTA CONSOLIDER C/ José Antonio Nováis, 10, 28040 Madrid, España

correo electrónico: caparicio@if.csic.es

Palabras clave: sensor de contenido en hielo, ultrasonidos, temperatura de congelación, temperatura representativa . Resumen. En este trabajo se presenta un método no invasivo, fácil y completo para determinar, a través de la velocidad del sonido, la temperatura representativa y el contenido de hielo de un alimento congelado, parcialmente congelado o parcialmente descongelado, del que se conoce, al menos, su naturaleza (fruta, hortaliza, carne o pescado) y su espesor. Para conseguirlo se han utilizado modelos de alimentos consistentes en distintas soluciones acuosas de NaCl. Como alimento real se ha usado merluza. La velocidad del sonido se ha medido mediante la emisión de una señal de ultrasonidos de baja potencia, y su posterior recepción.

1. INTRODUCCIÓN La congelación y el subsiguiente mantenimiento en estado congelado constituyen unos de los principales recursos empleados en la actualidad para la conservación de alimentos. La congelación consiste en la reducción de la temperatura de un sistema con un contenido acuoso variable, de manera que parte del agua cambia de estado, solidificándose. El efecto principal que favorece la conservación es la reducción efectiva de la cantidad de agua libre al transformarse parte de ella en hielo. El agua libre es necesaria para el crecimiento microbiano y está involucrada en las reacciones químicas entre los distintos componentes del sistema. Diversos micro-organismos no pueden desarrollarse por debajo de determinados valores de actividad de agua. Por su parte las reacciones químicas y una serie de procesos físicos que requieren también movilidad dependen de la cantidad de agua libre y su velocidad disminuye con esta cantidad. Adicionalmente, la reducción de la temperatura también actúa en contra de la actividad microbiana y ralentiza las reacciones químicas. La fracción de agua que se ha convertido en hielo puede ser determinada por diversos procedimientos, analíticos [1-2] o experimentales, siendo el más exacto la medida por

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calorimetría diferencial de barrido. Este método es altamente invasivo, pues requiere que una fracción pequeña del producto sea tomada y envasada para ser introducida en el instrumento. Salvo en aquellos casos en los que las condiciones de congelación puedan ser reproducidas correctamente en el calorímetro, el resultado puede ser diferente de la realidad, ya que es difícil fragmentar y envasar la muestra sin alterar su contenido en hielo. En cualquier caso, el proceso es lento, invasivo y poco adaptable a situaciones de interés industrial. En todos los sistemas acuosos con componentes en disolución (lo que comprende todos los alimentos) el contenido en hielo varía en dependencia con la temperatura. La concentración de solutos, según una dependencia ampliamente estudiada [1-2] determina la temperatura a la que comienza la congelación. Sin embargo, el hielo formado expulsa de su seno las moléculas de soluto que distorsionarían la red cristalina. De este modo, a medida que procede la formación de hielo tiene lugar un proceso de crioconcentración, aumentando la cantidad de

solutos contenidos en la fracción de agua aún en estado líquido. Esto causa una disminución de la temperatura del equilibrio sólido-líquido. Así, distintos sistemas presentan un contenido en hielo diferente en dependencia de la temperatura a la que son mantenidos. Previamente a este trabajo, Miles [3] apuntó que se podría estimar la cantidad de hielo utilizando ultrasonidos en una muestra de carne. El trabajo que aquí se presenta puede aplicarse a cualquier alimento que tenga una temperatura inicial de congelación mayor que -2.4ºC (que son prácticamente todos los de interés). Otros autores [4] midieron el tiempo de vuelo de los ultrasonidos para conocer cuando el alimento está totalmente congelado y detectaron la capa de hielo formada aunque no consiguieron conocer el porcentaje de

hielo y la temperatura del alimento en cualquier instante como, en cambio, si se hace en es

Figura 1.- Esquema del dispositivo (1) Alimento, (2) Baño termostático, (3) Osciloscopio, (4) Ordenador, (5) Generador de pulsos, (6) Agitador magnético.

te

se

nvasivo basado en el empleo de ltrasonidos y su aplicación para el caso de merluza congelada.

. MATERIALES Y MÉTODOS

trabajo. La recristalización es el principal proceso limitante de la vida útil de los sistemas congelados [5]. Esta velocidad, es función de la cantidad de agua libre, y por tanto, del hielo, presente en el sistema. Además, se pueden mencionar las situaciones donde la congelación es un evento no deseado. Es el caso de la conservación de alimentos en estado refrigerado, en la cualintenta evitar la formación de hielo que pueda alterar las propiedades de ciertos productos. En este trabajo se presenta el método seguido para determinar la temperatura y el contenido en hielo de un alimento congelado empleando un dispositivo no iu

2

2

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El dispositivo experimental puede apreciarse en publicaciones previas [6-7] y se representa en la Figura 1 y consta de: un sistema Emisor-Receptor de ultrasonidos en un intervalo de frecuencias comprendido entre 1MHz y 10 MHz, formado por dos transductores o piezoeléctricos enfrentados paralelamente al alimento, conteniendo una muestra de espesor conocido, empleando la técnica de transmisión. Dispone también de un generador de pulsos, conectado a uno de los mencionados transductores o piezoeléctricos. También consta de un osciloscopio para determinar el intervalo de tiempo transcurrido entre su emisión y su recepción (tiempo de vuelo) y la velocidad de propagación de ultrasonidos. Como también se indica en [6-7], la medida de la temperatura global del alimento, T, se realiza a través de la

edida de la velocidad de ultrasonidos, aplicando la ecuación, m

))((2))((4

),( 32

322

sFPDFPDFPD

sFPDFPDFPDFPDs vTdTcTba

fvTdTcTbaeeTvT

−⋅+⋅+⋅+⋅

⋅−⋅+⋅+⋅+⋅−−−=

(1)

didas entre TFPD y -18ºC, según que T sea mayor o igual que -10ºC o menor que -10ºC.

ando el dato de mperatura obtenido mediante la ecuación (1), empleando la ecuación (2):

donde vs es la velocidad del sonido y TFPD es la temperatura inicial de congelación del alimento. Los resultados de este trabajo se ciñen a los casos para los cuales su TFPD esté comprendida entre los 0ºC y los -2.4ºC. Dentro de ese intervalo se encuentra la mayoría de frutas, verduras, pescados y carnes. El valor específico de TFPD para cada alimento se puede encontrar en diferentes publicaciones básicas de Tecnología de Alimentos o se pude determinar experimentalmente. Los coeficientes a, b, c, d, e y f están dados en la Tabla 1 para temperaturas T del alimento compren

La determinación del contenido en hielo de la muestra se realiza emplete

TT

RCp

TTRTCpL

Ta mmmw

00

0

000

ln11)(ln ⋅Δ

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅

⋅Δ−=−

(2)

rica, y debe ser obtenido de

Tabla 1.- Coeficientes de la ecuación (1)

1462.7836 > 4111.598 461.266 189.532 63.106 10525.31 15061.59 0.90 <-10ºC

a b c d E F r2 T 4502.57 2532.50 333.039 2707.78 991.4088 0.97 = -10ºC

en la que aparece: la constante R, constante universal de los gases (8.314 J/mol·K) y mL , el calor latente molar del agua pura a presión atmosférica (6002.4 J/mol). ΔCp

0

m0, dependiente de

la temperatura inicial de congelación de la muestra, es la diferencia entre el calor específico del agua pura y del hielo a esa temperatura, T0, a presión atmosféla literatura, o bien ser calculado según procedimientos estandar.

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A partir de la actividad de agua así calculada, se puede obtener la cantidad de agua no congelada (mufw) si aw se hace igual a xufw, que es la fracción molar del agua disponible, la ual verifica la ecuación (3);

c

dm

dm

w

ufw

w

ufw

ufww

Mm

MTmM

Tm

ATxTa+

=≈)(

)(

)()(

(3)

donde mdm es la fracción de ma s moleculares del agua y de

m se puede obtener a partir de las

do se utilizan porcentajes) se obtiene, entonces, a partir e:

teria seca y Mw y Mdm son los pesola materia seca, respectivamente. Las ecuaciones (2) y (3) pueden usarse juntas directamente si se conoce Mdm , pero en los alimentos reales esa magnitud no suele estar definida, por lo que hay que estimarla antes. Teniendo en cuenta que a la temperatura inicial de congelación, TFDP, la fracción másica de agua libre no congelada (mufw) es igual al contenido total de agua libre (mfw), entonces Mdecuaciones (2) y (3). Una vez que se conoce Mdm , se puede obtener mufw(T) tras sustituir aw (T), calculada para cualquier condición de temperatura a partir de la ecuación (2) en la ecuación (3). La fracción másica de hielo mice, también conocida como Xi (cuand

w

dmdm

ww

fwufwfwice a

mMM

amTmmTm

−

⋅⋅−=−=

1)()(

(4)

Figura 2.- Determinación experimental del punto de congelación de la merluza donde T representa la temperatura, t, el tiempo, N, el punto de nucleación y P, el plato de congelación (punto de congelación).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Con objeto de determinación de la temperatura y del contenido de hielo de un alimento parcialmente congelado, se ha procedido a aplicar la metodología descrita en la sección previa al caso de una muestra de merluza. En primer lugar se ha determinado el punto de congelación de la muestra, empleando el método reflejado en la Figura 2. Básicamente consiste en enfriar la muestra y en registrar la correspondiente variación de la temperatura hasta alcanzar el punto de nucleación, N. Subsiguientemente aparece el plato de congelación, P, el cual corresponde al punto de congelación TFPD =-0.9ºC. Se tomó una muestra de 12.4 mm de espesor y se dispuso en el punto (1) de la Figura 1 entre dos piezoeléctricos enfrentados y paralelos, conectados uno a un generador de pulsos y el otro a un osciloscopio,

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actuando como receptor. A continuación se ha determinado el tiempo de vuelo mediante la técnica de transmisión de pulsos, con frecuencias entre 1 y 3 MHz. Se ha determinado el intervalo de tiempo transcurrido entre emisión y recepción (tiempo de vuelo), mediante el

s de agua totales) y la temperatura, T (ºC), para el caso de la merluza congelada estudiada, Figura 3.

osciloscopio de la Figura 1, punto (3), teniendo en cuenta la distancia entre ellos. Para la determinación de la temperatura y el porcentaje de hielo en el alimento a partir de la velocidad del sonido, se han resuelto las ecuaciones 1 a 4 con la Tabla I, obteniéndose la relación entre la velocidad de propagación de los ultrasonidos, vs (m/s), el contenido en hielo, Xi (%), expresado como fracción molar (número de moles de hielo dividido entre el número de mole

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T (ºC)

vs (

m/s

)X

i (%)

Figura 3.- Relación entre la velocidad de propagación de los ultrasonidos, vs (m/s), el contenido en hielo, Xi (%), expresado como fracción molar (número de moles de hielo dividido entre el número de moles de agua totales) y la temperatura, T (ºC),

lculada por el algoritmo de cálculo para una muestra de merluza.

. CONCLUSIONES

ncuentre en una

ca

4

El procedimiento aquí presentado resulta ser no invasivo, pudiendo ser adaptado a multitud de situaciones. Además es independiente del conocimiento de la temperatura del producto y no implica que la distribución de la temperatura del producto sea conocida. También es independiente de movimientos tanto internos como externos sufridos por el producto. Por ejemplo, es independiente de que el producto se esté descongelando o que se ecadena de producción (incluso en un sistema continuo) o en almacenamiento.

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Los datos de temperatura y/o de contenido en hielo, así obtenidos, pueden ser empleados para obtener una mejor indicación del estado de calidad o de deterioro del alimento congelado, que la obtenible a partir de la mera medida de la temperatura exterior del producto.

5. AGRADECIMIENTOS

ignon y A. Aparicio tienen sendos contratos de la UE y del CSIC a través de Programa I3p.

R

[1] ood Freezing Using Freezing Point Depression”, ASAE Paper

[2] and Mollier Diagram”, Journal of Food Science, Vol. 50, pp.1163-1166,

[3] w, editado por C.L. Cutting,

[4] itoring of food

[5] odel System and

[6] in partially frozen

[7] contenido en hielo de un alimento

congelado”.Nº de P.O. E.P.: 200700204. (2007).

Este trabajo ha sido financiado por el “Plan Nacional de I+D+i del Ministerio de Educación y Ciencia (MEC) mediante los proyectos CSIC 200550F0191, AGL2007-63314/ALI y MALTA CONSOLIDER-INGENIO 2010 CSD2007-00045. L. Otero tiene un contrato Ramón y Cajal, también del y B. Gu

EFERENCIAS

D.R. Heldman, “Predicting the Relationship between Unfrozen Water Fraction and Temperature during FNo. 72-890, (1973). C.S. Chen, “Thermodynamic Analysis of the Freezing and Thawing of Foods: Ice Content (1985). C.A. Miles, 1974, “The Ice Content of Frozen Meat and its Measurement Using Ultrasonic Waves”, en Meat Freezing: Why and HoLangford, Bristol, Gran Bretaña, pp. 15.1-15.7, (1975). H. Sigfusson, G.R. Ziegler and J. N. Coupland, 2004, “Ultrasonic monfreezing”, Journal of Food Engineering, Vol. 62, pp. 263-269, (2004). M.N. Martino and N.E. Zaritzky, 1989, “Ice Recrystallization in a Min Frozen Muscle Tissue”, Cryobiology, Vol .26, pp.138-148, (1989). C. Aparicio, L. Otero, B. Guignon, A.D. Molina-García and P.D. Sanz, “Ice content and temperature determination from ultrasonic measurements foods”, Journal of Food Engineering,Vol. 88, pp.272-279, (2008). C. Aparicio, A.D. Molina-García, L. Otero, B. Guignon y P.D.Sanz “Dispositivo no invasivo para determinar la temperatura y el

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