Tecnologías de congelación de frutas y hortalizas

El mercado de alimentos congelados ha experimentado un aumento continuo durante los últimos años. Este incremento progresivo en el consumo de alimentos congelados, generalizado a nivel mundial, junto con los requerimientos de los consumidores cada vez más exigentes han provocado el interés en mejorar los actuales sistemas de congelación y desarrollar otros nuevos que incrementen la calidad final del producto obtenido.

La congelación consiste básicamente en la disminución de la temperatura del producto por debajo de su punto de congelación, lo que provoca la cristalización del agua que contiene. Un factor determinante en la calidad organoléptica del producto congelado es el tamaño de los cristales de hielo formados. Éste depende de la tasa de nucleación y de la velocidad de extracción de calor del sistema. Si la tasa de nucleación es baja, se forman pocos núcleos de hielo y éstos; por tanto, dan lugar, durante la etapa de cambio de fase, a pocos cristales de hielo, pero de gran tamaño. Estos cristales grandes producen daños en la estructura de los alimentos, provocando desde alteraciones en su textura hasta una importante pérdida de agua durante la descongelación. Por el contrario, si la tasa de nucleación es elevada, se forma una gran cantidad de núcleos de hielo. Estos núcleos dan lugar a muchos cristales de hielo que, si la velocidad de extracción de calor del sistema es adecuada, serán de pequeño tamaño y causarán pocas pérdidas de calidad en los alimentos. Por eso, la principal recomendación durante el proceso de congelación es que ésta se lleve a cabo lo más rápidamente posible, no sólo para producir cristales de hielo pequeños, sino también para inhibir rápidamente los procesos de deterioro de los alimentos.

Los dos factores principales sobre los que se puede actuar para mejorar el proceso de congelación son la tasa de nucleación y la velocidad de extracción de calor de sistema. A continuación, se van a describir las principales estrategias desarrolladas en las últimas décadas para mejorar el proceso de congelación de alimentos.

• Estrategias tradicionales para mejorar el proceso de congelación: Incremento de la velocidad de extracción de calor del sistema.

Tradicionalmente, los esfuerzos se han centrado en tratar de mejorar la velocidad de extracción del sistema. Para ello, se han desarrollado distintas estrategias relacionadas bien con el producto a congelar o bien con el sistema de congelación. Si nos centramos, en primer lugar, en las estrategias relacionadas con el producto a congelar, es evidente que el que la congelación sea rápida o lenta va a depender de algunas de las características del producto tales como su tamaño y forma, su temperatura inicial o su contenido de agua. Así, prácticas habituales en la industria para acelerar el proceso de congelación son el troceado de productos (papas, brócoli, coliflor, zanahoria, etc.), la aplicación de tratamientos de pre-enfriamiento (con aire forzado, agua fría, hielo o a vacío) o la deshidratación parcial del alimento. En cuanto a las estrategias relacionadas con el sistema de congelación, los sistemas de congelación criogénica se centran en reducir la temperatura del medio de refrigeración para acelerar el proceso de congelación. Para ello emplean refrigerantes tales como nitrógeno líquido o dióxido de carbono que permiten alcanzar temperaturas extremadamente bajas. En los últimos años, se han desarrollado también sistemas híbridos como la congelación criomecánica que combina la inmersión criogénica, durante un tiempo corto, con la congelación clásica en un congelador tradicional de aire. Tras la inmersión criogénica, se forma una costra de hielo que reduce la tasa de deshidratación, el apelmazamiento y el pegado del producto que se termina de congelar por un método tradicional. De esta manera, con un bajo costo de refrigerante criogénico, se reduce la duración del proceso de congelación y se obtiene un producto de buena calidad. Por otra parte, los sistemas de congelación individual ultra-rápida o sistemas IQF (Individual Quick Freezing), se centran en aumentar la superficie de contacto entre el medio de refrigeración y el alimento. El producto ha de ser de pequeño tamaño o haber sido troceado anteriormente y se congela de forma individual, aumentando así considerablemente la relación superficie/volumen. Este método es útil en productos con alto contenido en agua tales como frambuesas, maíz, entre otros, que son difíciles de congelar satisfactoriamente por otros métodos, sin que  se peguen unos con otros. Para aumentar los coeficientes de transferencia de calor superficial y reducir las resistencias a la transmisión de calor, se han desarrollado sistemas tales como la congelación por lecho de impacto en la que el producto recibe gran cantidad de aire frío a gran velocidad que impactan sobre su superficie inferior y superior, la congelación en lecho fluidizado donde el producto fluye en una corriente de aire frío en un túnel o la hidrofluidización donde el producto se mueve en un lecho fluidizado de líquido frío altamente turbulento. La alta turbulencia y las interacciones fluido-partícula generadas en estos sistemas incrementan la eficacia de la transferencia de calor con lo que los tiempos de congelación se reducen considerablemente.

• Estrategias modernas de congelación: Incremento de la tasa de nucleación

En los sistemas descritos hasta ahora se han aplicado una o varias estrategias para aumentar la velocidad de extracción de calor. Sin embargo, para obtener buenos resultados el producto ha de ser pequeño y ha de congelarse de forma individual. Si se aplican estos sistemas a productos de gran tamaño, sólo se consigue que se produzcan nucleaciones en la superficie de los mismos. Posteriormente,  a medida que avanza la congelación, las moléculas de agua se van adicionando a estos pocos núcleos de la periferia y dan como resultado final cristales de gran tamaño que reducen la calidad de los alimentos. Para solventar este problema, las investigaciones se centran en la fase de nucleación para tratar de producir un elevado número de núcleos de hielo uniformemente repartidos en todo el volumen del producto. En este caso, el parámetro que interesa es la tasa de nucleación que define el número de núcleos formados. En la actualidad, existen tres tecnologías físicas diferentes que permiten actuar sobre el fenómeno de la nucleación: los ultrasonidos, los campos electromagnéticos y la alta presión.

Congelación asistida por ultrasonidos

Los ultrasonidos de potencia se pueden definir como un tipo de onda acústica de baja frecuencia (Entre 20 y 100,000 Hz) y alta intensidad (generalmente mayor de 1W/cm²). Es bien sabido que si se aplican ultrasonidos de potencia a un producto que se está congelando, éstos producen cavitación sobre la fase líquida que aún no se ha congelado. La cavitación consiste en la formación de pequeñas burbujas que crecen al disminuir la presión acústica y se comprimen al aumentar ésta hasta colapsarse violentamente. Estas burbujas actúan como agentes nucleares favoreciendo; por tanto, la formación de núcleos de hielo en todo el volumen de la muestra. El movimiento oscilatorio de las burbujas induce, además, fuertes microcorrientes que facilitan la transferencia de calor y masa, acelerando, de esta manera, el proceso de congelación. Por otra parte, las tensiones ejercidas por los ultrasonidos ocasionan fracturas en los cristales de hielo lo que da lugar a que el producto final congelado tenga cristales de hielo más pequeños.

La aplicación de ultrasonidos de potencia durante la congelación permite mejorar significativamente la calidad del alimento congelado. Puede resultar muy prometedora para la congelación de alimentos, especialmente en productos con un alto valor añadido.

Congelación electromagnética

El proceso consiste en la aplicación, a bajas temperaturas, de un campo magnético (0.5-20,000 G) fluctuante (5-15%), en el que la intensidad de campo es unidireccional. Ello provoca una reorientación del espín electrónico y del espín nuclear de las moléculas de agua del objeto que se pretende congelar. Debido a ello, se pueden producir cristales de pequeño tamaño y en un número más elevado que con un sistema de congelación convencional.

La aplicación del campo magnético induce fuerzas de vibración magnética en las moléculas de agua, lo que evita la formación temprana de los cristales de hielo y su crecimiento aun estando a temperaturas muy bajas. Así, se puede retrasar la cristalización del agua del alimento, pudiendo alcanzarse un elevado grado de subenfriamiento. Además, al controlar la cristalización mediante el campo magnético, la congelación sucede rápidamente y de manera uniforme en todo el producto, en vez desde la superficie hacia el interior del alimento como en los métodos tradicionales. En función del tipo de aplicación, el campo magnético puede cesar durante la etapa de subenfriamiento, induciendo la congelación del producto, o bien puede mantenerse a lo largo de todo el proceso para un mejor control del proceso de cristalización.

La aplicación de un campo magnético durante la congelación,  permite obtener un producto tras la descongelación con unas características mejores que con los métodos convencionales, disminuyendo los daños en su estructura y la presencia de exudados. En Japón, la congelación electromagnética se comenzó a utilizar en productos de alto valor añadido y cuya presencia en los mercados en estado fresco está sujeta a cierta temporalidad.

Congelación por cambio de presión

Otro método para controlar la nucleación es el de la aplicación de altas presiones. El procesado a altas presiones hidrostáticas se aplica habitualmente a los alimentos con el fin de alargar su vida útil. La tecnología está basada en el principio de Pascal según el cual la presión se transmite de forma instantánea y uniforme a través de un líquido. Para ello, se coloca un alimento en un recinto cilíndrico de acero y se cierra. El recinto puede estar lleno del alimento a procesar si se trata de un líquido (compresión directa) o puede estar lleno de un fluido de grado alimentario (habitualmente agua) que le transmitirá la presión, tanto si se trata de un alimento líquido como sólido (compresión indirecta). En este último caso, un envasado a vacío previo del alimento evita los intercambios de materia fluidoalimento. El envase debe ser flexible para permitir la transmisión de la presión y el cambio de volumen asociado. Mediante una bomba hidráulica y un intensificador de presión, se somete el fluido a presiones que pueden alcanzar hasta los 900 MPa. El fluido transmite integralmente la presión a todos los puntos del alimento, independientemente de su tamaño y geometría. El alimento se mantiene así bajo presión, entre 2 y 15 min, tiempo necesario para inactivar los micro-organismos objeto del tratamiento. Después, se libera la presión y se saca el producto. La gran ventaja del procesado a altas presiones frente al procesado térmico tradicional es que se puede realizar a temperatura ambiente (10-20 °C). Gracias a ello, las sustancias termolábiles presentes en el producto quedan preservadas dando lugar a una calidad nutricional y organoléptica superior a la de un producto tratado por calor. En caso de combinar la presión con temperaturas altas (> 60-90 °C), moderadas (10-60 °C) o bajas (< 0-10 °C), también se produce la inactivación de microrganismos patógenos y se mantienen generalmente mejor las características de calidad del producto que por procesado tradicional.

Es importante destacar que la congelación del alimento no se produce a alta presión sino a presión atmosférica tras la expansión. Justo tras ésta, el agua entra en estado metaestable y la nucleación del hielo es más probable cuanto mayor es el grado de subenfriamiento alcanzado.

Los alimentos más apropiados para congelar por cambio brusco de presión son los que no contienen mucho aire en su estructura. Dado que la compresibilidad del aire es mucho mayor que la de los líquidos y sólidos, las estructuras porosas o con gran contenido en aire tienden a colapsarse con la compresión y pueden no recuperarse en la expansión. Como consecuencia de ello, el alimento se estropearía por el efecto de la presión antes que por la congelación en sí. En cambio, dado que las altas presiones permiten la nucleación uniforme del hielo independiente del tamaño del alimento, esta congelación está especialmente indicada para congelar alimentos de gran volumen tales como la berenjena, melón, brócoli, papa, entre otros.

Los hábitos del consumidor actual están favoreciendo el aumento continuo de la producción de alimentos congelados. Ello provoca la necesidad de buscar nuevas tecnologías que aporten mayor calidad a los mismos. Sin embargo, la implantación industrial de toda nueva tecnología va a depender tanto de su capacidad para resolver problemas reales como del desarrollo de equipos adaptados a la industria que puedan competir con los sistemas implantados en la actualidad.