Propiedades Térmicas de los Alimentos
Las propiedades térmicas de alimentos y bebidas se deben de conocer para desarrollar los cálculos de transferencia de calor involucrados en el diseño del almacén y equipos de refrigeración; también son necesarios para estimar procesos de calentamiento, refrigeración, congelamiento o secado de alimentos y bebidas. Porque las propiedades térmicas de alimentos y bebidas dependen fuertemente de la composición química y la temperatura, también por la alta disponibilidad de los mismos es casi imposible determinarlas y tabularlas experimentalmente para todas las posibles condiciones y composiciones.
Las propiedades térmicas de los alimentos se las puede encontrar disponibles en Holland et al. (1991) y USDA (1975). Esa información calculada consiste en fracciones de masa de los principales componentes de los alimentos. Con esta información disponible se pueden calcular en conjunción con la temperatura usando modelos matemáticos las propiedades térmicas de los constituyentes individuales. Las propiedades termo físicas a menudo se requieren para cálculos de transferencia de calor (incluyen densidad, calor específico, entalpía, conductividad térmica y transmisión térmica). Adicionalmente, si el alimento es un organismo vivo como fruta fresca o vegetales (hortalizas), estos generan calor a través de la respiración y pierden humedad por la transpiración. Ambos procesos se deben de incluir en los cálculos de transferencia de calor y se debe usar como referencia tablas de propiedades termo físicas medidas para alimentos.
Propiedades térmicas de los componentes de los alimentos
Los componentes comúnmente encontrados en los alimentos incluyen: agua, proteína, grasa, carbohidratos, fibra y cenizas. En Choi y Okos (1986) existen tablas de componentes a los que desarrollaron modelos matemáticos para determinar las propiedades térmicas de éstos como función de la temperatura en el rango de -40 a 149° C, también lo hicieron para determinar propiedades termicas del agua y del hielo. Referirse a Composition data from USDA (1996), son tablas que listan componentes de varios alimentos, incluyen agua en porcentaje de masa, proteína, grasa, carbohidratos, fibra y cenizas.
Propiedades térmicas de los alimentos
En general, las características termo físicas de un alimento o de una bebida se comportan bien cuando su temperatura está sobre su punto de congelación inicial. Sin embargo, debajo del punto de congelación inicial, las características termo físicas varían grandemente debido a los procesos complejos implicados durante el congelamiento. El punto de congelación inicial de un alimento es algo más bajo que el punto de congelación del agua pura debido a sustancias disueltas en el agua del alimento. En el punto de congelación inicial, algo del agua en el alimento se cristaliza, y la solución restante se concentra. Así, el punto de congelación de la porción no congelada del alimento se reduce más a fondo. La temperatura continúa disminuyendo mientras que la separación de los cristales de hielo aumenta la concentración de solutos en la solución y presiona el punto de congelación más lejos. Así, el hielo y las fracciones del agua en el alimento congelado dependen de la temperatura. Porque las características termofísicas del hielo y del agua son absolutamente diferentes, las características termofísicas de alimentos congelados varían dramáticamente cuando se le baja la temperatura. Además, las características termofísicas del alimento sobre y debajo del punto de congelación son drásticamente diferentes.
Contenido de agua
Porque el agua es el componente predominante en la mayoría de los alimentos, el contenido en agua influencia perceptiblemente las características termofísicas de alimentos. Los valores medios del contenido de agua (por ciento por la masa) se dan en la tabla Composition data from USDA (1996). Para las frutas y vegetales, el contenido en agua varía con el cultivo así como con la etapa del desarrollo o de la madurez cuando está cosechado, las condiciones cada vez mayor, y la cantidad de humedad perdida después de cosecha. En general, los valores dados en la tabla Composition data from USDA (1996) se aplican a los productos maduros poco después cosecha. Para la carne fresca, los valores del contenido en agua en la tabla son a la hora de matanza o después del período generalmente del envejecimiento o añejamiento (maduración). Para los productos curados o procesados, el contenido en agua depende del proceso o del producto particular.
Punto de congelación inicial
Los alimentos y las bebidas no congelan totalmente a una sola temperatura, sino algo sobre una gama de temperaturas. De hecho, los alimentos altos en contenido de azúcar o envasados en altas concentraciones de jarabe nunca se pueden congelar totalmente, no así se deben de almacenar a una temperatura uniforme típica para alimento congelado. Así, no hay un punto de congelación distinto para los alimentos y las bebidas, sino un punto de congelación inicial en el cual la cristalización comienza. El punto de congelación inicial de un alimento o de una bebida es importante no solamente para determinar las condiciones de almacenaje apropiadas del alimento, sino también para calcular características termo físicas. Durante el almacenaje de frutas y vegetales frescos, por ejemplo, la temperatura de la materia se debe guardar sobre su punto de congelación inicial para evitar de daños al congelar. En adición, porque hay cambios drásticos en las características termofísicas de alimentos es porque se congelan, el punto de congelación inicial de un alimento se debe saber para modelar sus características termofísicas exactamente. La tabla de Composition data from USDA (1996) reporta valores iniciales de punto de congelación.
Fracción de hielo
Para predecir las características termo físicas de los alimentos congelados, que dependen fuertemente de la fracción del hielo en el alimento, la fracción total del agua que se ha cristalizado debe ser determinada. Debajo del punto de congelación inicial, la fracción total del agua que se ha cristalizado en un alimento es una función de la temperatura. En general, los alimentos se componen mayoritariamente de agua, los sólidos disueltos, y los sólidos sin disolver. Durante el congelamiento, como algo del agua líquida se cristaliza, los sólidos disueltos en el agua líquida restante cada vez más se concentran, así va bajando la temperatura de congelación.
Densidad
Modelar la densidad de alimentos y de bebidas requiere el conocimiento de la porosidad del alimento, tan bien como la fracción y la densidad totales de los componentes del alimento. La porosidad se requiere para modelar la densidad de los alimentos granulares almacenados en bulto, tal como granos y arroz. Para otros alimentos, la porosidad es cero.
Calor especifico
El calor específico es una medida de la energía requerida para cambiar la temperatura de un alimento por un grado. Por lo tanto, el calor específico de alimentos o de bebidas se puede utilizar para calcular la carga de calor impuesta ante el equipo de refrigeración por refrigerar (enfriar) o congelar de alimentos y de bebidas. En alimentos no congelados, el calor específico llega a ser levemente más bajo mientras que la temperatura se eleva de 0° C a 20° C. Para los alimentos congelados, hay una disminución grande del calor específico pues la temperatura disminuye. Las listas de la tabla Composition data from USDA (1996) determinaron de forma experimental los valores del calor específico para varios alimentos arriba y bajo cero.
Entalpía
El cambio en la entalpía de un alimento se puede utilizar para estimar la energía que se debe agregar o quitar para efectuar un cambio de temperatura. Sobre el punto de congelación, la entalpía consiste en energía sensible debajo del punto de congelación, la entalpía radica en energía sensible y latente.
Conductividad térmica
La conductividad térmica relaciona la tasa de transferencia de calor de la conducción con el gradiente de la temperatura. La conductividad térmica de un alimento depende de factores tales como composición, estructura, y temperatura. Se han realizado trabajos para adaptar la conductividad térmica de alimentos y de bebidas
Difusividad térmica
Los valores experimental determinados de la difusividad térmica de alimentos son escasos. Sin embargo con valores apropiados de la conductividad térmica, calor específico y densidad, la difusividad térmica se puede calcular usando la ecuación:
Donde: k es conductividad térmica
p es densidad
c es calor específico
Calor de respiración
Todos los alimentos vivos respiran. Durante la respiración, el azúcar y el oxígeno combinan para formar el CO2, H2O, y calientan como sigue:
C6H12O6 + 6O2 _ 6CO2 + 6H2O + 2528 Btu
En la mayoría de los productos almacenados en planta, pocas células se desarrollan y la parte mayor de energía de respiración es liberada como calor, que debe considerado al refrigerar y almacenar alimentos vivos (Becker et el al. 1996a).
El calor de respiración varía según tipo o clase de alimento:
- Las frutas, los vegetales u hortalizas, las flores, los bulbos, tallos y hojas verdes son materias de almacenaje con significativo calor de la respiración.
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Productos secos o deshidratados, tales como semillas y nueces, tienen tasas de respiración muy bajas.
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Los productos con tejidos finos jóvenes, muy sensibles y activamente creciendo, tales como espárrago, bróculi y espinaca, tienen altos índices de la respiración, al igual que las semillas no maduras tales como guisantes verdes y maíz dulce.
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Las frutas de rápido crecimiento, tales como fresas, frambuesas, y las zarzamoras, tienen tasas de respiración mucho más altas que las frutas que son lentas para desarrollar, por ejemplo manzanas, las uvas, y los cítricos.
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En general, la mayoría de vegetales, con excepción de bulbos y de raíces, tienen una alta tasa de respiración inicial para los primeros un o dos días después de la cosecha. Dentro de algunos día, la tasa de respiracíon baja rápidamente a la tasa de equilibrio.
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Las frutas que no maduran durante almacenaje, tal como cítricos y uvas, tienen índices bastante constantes de respiración.
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Frutas que maduran en almacenaje, tal como manzanas, melocotones, y aguacates, aumentan su tasa de respiración. En las temperaturas bajas del almacenaje, alrededor de 0° C, el índice de la respiración
aumenta raramente porque no ocurre ninguna maduración. Sin embargo, si las frutas se almacenan a temperaturas más altas (10 a 15.5° C), hay aumentos de la tasa de respiración y eso se debe a la maduración, entonces ésta se ve frenada.
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Frutas suaves, tales como arándanos, higos, y fresas, tienen una disminución de la respiración en el tiempo a 0°C. Aún si éstos se infectan con pudrición por organismos, la tasa de respiración siempre aumenta.
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Para las frutas como mangos, aguacates o plátanos, la maduración significativa ocurre a temperaturas sobre 10° C.
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Los vegetales u hortalizas como cebollas, ajo y col pueden aumentar la producción del calor después de un período de almacenaje largo.
Transpiración de frutas y vegetales frescos
El componente más abundante de frutas y de vegetales frescos es el agua, que existe como fase líquida continua en la fruta o el vegetal (hortaliza). Algo de esa agua se pierde a través de la transpiración, que implica el transporte de la humedad a través de la piel del alimento, la evaporación, y el transporte total convectivo de la humedad a los alrededores del producto (Becker et el al. 1996b).
El índice de la transpiración en frutas y vegetales frescos afecta la calidad del producto. La humedad transpira continuamente desde instalaciones durante la manipulación y el almacenaje de los productos. Una cierta pérdida de humedad (agua) es inevitable y puede ser tolerada. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, mucha humedad se puede perder y causar marchites o arrugamiento. La pérdida que resulta en masa afecta no solamente el aspecto, la textura, y el sabor de la materia, sino que también reduce el volumen vendible (Becker et el al. 1996a). Muchos factores afectan el índice de la transpiración de las frutas y de los vegetales frescos; la pérdida de humedad es conducida por una diferencia en la presión del vapor de agua entre la superficie del producto y el ambiente. Becker et el al. 1996a refieren que la superficie del producto se puede asumir para ser saturada, y la presión del vapor de agua en la superficie de la materia son así iguales a la presión de la saturación del vapor de agua evaluada en la temperatura superficial del producto. Sin embargo, también reportan que las sustancias disueltas en la humedad de la materia tienden para bajar la presión del vapor en la superficie que se evapora levemente.
La evaporación en la superficie del producto es un proceso endotérmico que enfría la superficie, así baja la presión del vapor en la superficie y reduce la transpiración.
La respiración dentro de la fruta o del vegetal, por otra parte, tiende aaumentar la temperatura del producto, levantando la presión del vaporen la superficie y aumentando la transpiración.
Además, la tasa de respiración es en sí mismo una función de la temperatura de la materia. También, los factores tales como estructura, permeabilidad de la piel, y circulación de aires superficiales también afectan la tasa de la transpiración.
Coeficiente superficial de transferencia de calor
Aunque el coeficiente superficial de transferencia de calor no es una característica térmica de un alimento o de una bebida, es necesario para el diseño de equipos de transferencia de calor para procesamiento de los alimentos y bebidas donde está implicada la transferencia por convección.
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