2. Introducción
6.3. Determinación de las propiedades termofísicas del músculo cocido
El calor específico de la carne de cangrejo (Cp) en estado congelado y sin congelar, la
temperatura de congelación inicial, la cantidad de agua no congelada y el calor latente de congelación, se midieron utilizando calorimetría diferencial de barrido (DSC) en un Equipo TA modelo Q100 controlado por un módulo TA 5000 (TA Instruments, New Castle, Delaware, USA). En este equipo se hicieron corridas de calentamiento a una velocidad de 10ºC/min desde -50ºC hasta 100ºC, con un período isotérmico inicial de 10 minutos a -50ºC. La primera corrida se realizó para obtener una línea de base por lo que se utilizaron dos cápsulas vacías de igual peso. Luego se obtuvo el termograma correspondiente a un estándar de zafiro. La tercera corrida se realizó con la muestra de carne de cangrejo. El procedimiento completo se realizó por triplicado. El cálculo del Cp se realizó según la norma ASTM E1269 y según McNaughton y Mortimer
(1975), como se explicó en el Capítulo 3. El calor latente de fusión (∆Hm) se determinó
según Roos (1986), mediante la integración del pico de la curva de fusión; este valor se utilizó para calcular la fracción de agua no congelada en el alimento. Los límites de integración de temperatura del pico se tomaron cuando fue detectada una separación clara entre la curva y la línea de base. La fracción de agua no congelada (xb) se obtuvo experimentalmente a partir del termograma de descongelación utilizando el DSC. El cociente entre el calor de fusión del material, el cual se obtuvo integrando el pico endotérmico del termograma, y el calor de fusión del agua pura (333,2 J/g) (Weast y Astle, 1981) representa la fracción de agua congelada en el alimento. El xb se calculó como la diferencia entre el contenido de agua total del alimento y el contenido de agua congelada (Sá y col. 1994).
Las propiedades termofísicas del músculo de cangrejo: densidad (ρ), calor específico
describe el proceso de congelación, se estimaron teniendo en cuenta la composición bioquímica del músculo del cangrejo cocido reportado en el Capítulo 4, y utilizando las ecuaciones propuestas por Choi y Okos (1986), expresadas en la Tabla 3.1 del Capítulo 3.
La conductividad térmica de los alimentos congelados varía fuertemente con la temperatura, si tenemos en cuenta que el hielo es casi cuatro veces más conductor que el agua. La dependencia de la conductividad térmica con la temperatura se estimó utilizando un modelo en paralelo (Choi y Okos, 1986):
∑
⋅
=
x
k(T)
k(T)
v ii (6.1)
donde k es la conductividad global y ki es la conductividad térmica del componente i
(agua, carbohidratos, cenizas, lípidos, proteínas, y hielo si la temperatura se encuentra por debajo de la temperatura inicial de fusión). La fracción “xiv” corresponde a la
fracción volumétrica de cada componente.
La densidad también sufre cambios significativos durante la congelación de alimentos, dado que el agua se expande un 10% por debajo del punto de inicial de congelación (disminuye la densidad) generando un stress térmico-mecánico importante.
La densidad del producto se calculó utilizando la siguiente ecuación (Choi y Okos, 1986):
∑
=
i iρ
x
1
ρ(T)
(6.2)donde ρ (T) es la densidad global y ρi es la densidad del componente i (agua,
carbohidratos, cenizas, lípidos, proteínas, y hielo si la temperatura se encuentra por debajo de la temperatura inicial de fusión). La fracción “xi” corresponde a la fracción
másica de cada componente.
Cuando se calcula el calor específico en un rango de temperaturas que abarcan valores por arriba y por debajo del punto de congelación se debe incluir el efecto del
cambio de fase. Si el rango de temperaturas comprende el cambio de fase es necesario tener en cuenta el aporte del calor latente en el rango de fusión del alimento de acuerdo a la fracción de hielo que se forma, el cual se denomina calor específico aparente. Para la carne de cangrejo, el mismo se estimó usando la ecuación propuesta por Miles y col. (1983):
2 f w i i ap T T Lx Cp x (T) Cp =
∑
− (6.3) donde L es el calor latente de fusión del agua, Tf es la temperatura de inicio de congelación del producto determinado experimentalmente mediante el método descripto por Fennema (1973), Cp es el calor específico global y Cpi es el calorespecífico del componente i (agua, carbohidratos, cenizas, lípidos, proteínas, y hielo si la temperatura se encuentra por debajo de la temperatura inicial de fusión).
Si consideramos la cantidad de agua ligada o no congelable, la fracción de hielo que se forma como una función de temperatura (a T <Tf) se puede estimar según Miles y col. (1983) como: ) T Tf xb)(1 (x xh = w− − (6.4)
donde Tf es la temperatura inicial de congelación (ºC), xh es la fracción másica de
hielo, xw es la fracción másica de agua en el alimento y xb es la fracción másica de
agua no congelada (agua ligada) obtenida por DSC.
6.3.2. Resultados de la determinación de las propiedades termofísicas
Aplicando las ecuaciones expresadas en la sección anterior, junto con los valores de la composición química del cuerpo cocido de cangrejo reportados en el Capítulo 4, se obtuvieron los gráficos de densidad, calor específico aparente y conductividad térmica para un rango de temperatura entre -40 y 20ºC, temperaturas a las cuales estuvieron sometidos los productos a base de carne de cangrejos durante la congelación (Fig 6.4). El calor latente de fusión de la carne de cangrejo resultó ∆Hm=243350J/kg. La
fracción de agua ligada determinada mediante DSC en base húmeda resultó xb=0,1484 y el calor específico de la carne de cangrejo en un estado completamente congelado (medido a -50°C) fue CPc=1894,3J/kgºC. Estos datos experimentales se
incorporaron a las ecuaciones propuestas para la obtención de las propiedades termofísicas en función de la temperatura (Fig 6.4).
Figura 6.4 Gráficos de conductividad térmica, densidad y calor específico aparente para carne de cangrejo cocida, para un rango de temperatura de -40°C a 20°C.
6.4. Modelado matemático y simulación numérica de la transferencia de energía