Modificación del vacío

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 7900 (2022) Citar este artículo

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La descongelación al vacío con vapor es uno de los métodos utilizados para descongelar alimentos, realizada en una atmósfera de vapor de agua en condiciones de presión reducida. El vapor de agua formado en vacío con la temperatura de 20 °C llena la cámara de descongelación y se condensa en la superficie del producto descongelado. El vapor condensado tiene la función de transportar energía térmica que permite la descongelación del producto. El estudio presenta una modificación de este método, introduciendo una etapa adicional de descongelación por vapor al vacío por sublimación-deshidratación (SRVST). El estudio se realizó para diferentes variantes del grado de sublimación inicial (en el rango de 0 a 15%) de una loncha de lomo de cerdo (m. longissimus lumborum) evaluando el efecto final del proceso de descongelación al vacío-vapor. Se determinó la cinética de descongelación con el método SRVST, grado de descongelación de las muestras y nivel de rehidratación de las mismas. En base a los resultados se demostró que el uso de la deshidratación por sublimación al 12% de una muestra de carne permite su descongelación completa (alcanzando la temperatura no superando la temperatura crioscópica).

Teniendo en cuenta que los alimentos congelados, en particular la carne y el pescado, se utilizan en el procesamiento de alimentos, la operación de descongelación es necesaria. Junto con la congelación y el almacenamiento, este proceso tiene un impacto significativo en la calidad de los productos alimenticios. Debe realizarse en condiciones que aseguren la restauración más completa de los caracteres originales del producto. Para ello, se debe limitar el sobrecalentamiento de la superficie del producto durante su descongelación y las pérdidas por goteo de descongelación, que son causas de importantes pérdidas de calidad y cambios físicos, bioquímicos y microbiológicos del producto1,2,3,4,5,6. Hay numerosos métodos de descongelación disponibles7,8,9,10,11,12. Los métodos más conocidos de descongelación de materias primas cárnicas son los métodos tradicionales: descongelación por aire y descongelación por inmersión en agua o salmuera. Este método de descongelación es bastante prolongado (puede durar hasta 3 días), requiere asegurar una gran superficie de almacenamiento y constituye un peligro microbiano importante debido a la posibilidad de contaminación cruzada13,14,15. Las cámaras de descongelación por contacto o vapor-aire son una alternativa a este método. En los últimos años se ha manifestado un interés continuo en el estudio de la búsqueda de nuevas tecnologías de descongelación, como el uso de microondas de alta presión, ultrasonidos e infrarrojos8,12,14,16,17. Se han realizado investigaciones sobre la descongelación de dieléctricos, ondas de radio y campos electrostáticos de alto voltaje5,9,18,19,20. Una serie de estudios se refiere a modificaciones de métodos conocidos, es decir, vacío-vapor, contacto por sublimación o sublimación-vacío-vapor descongelación10,11,17,21,22. Este último método está cubierto por el presente estudio.

Siguiendo la metodología de descongelación por vapor, la energía térmica se proporciona mediante la condensación del vapor de agua en la superficie de los productos alimenticios descongelados. Este calor, necesario para el cambio de fase de hielo a agua en una materia prima congelada, se obtiene del cambio de fase de vapor a agua. La variante de descongelación por vapor consiste en la aplicación de una presión negativa para el proceso, conocida como descongelación por vapor al vacío (VST). El producto descongelado con este método se coloca en una cámara de vacío, de la que se bombea el aire. Un recipiente abierto con agua está ubicado en el fondo de la cámara, o la cámara está conectada a un tanque externo. Como resultado de esta depresión (aprox. 2400 Pa), el agua comienza a hervir a temperatura ambiente (aprox. 20 °C). Para mantener el agua en estado de ebullición es necesario calentarla. Esto normalmente se hace calentando con vapor, a veces a través de un intercambiador de calor de agua o calentadores eléctricos. El calor de condensación es aprovechado por el producto congelado, resultando en su rápida descongelación (aprox. 120 g de agua de condensación descongela 2 kg de producto congelado)22,23. Un resultado favorable de este método es el hecho de que la descongelación con vapor de vacío tiene lugar a una temperatura de 20 °C. De esta forma se evita el sobrecalentamiento de la superficie de los productos alimenticios descongelados, que se produce en el caso de descongelación a presión normal con vapor a la temperatura de 100 °C19,23,24,25,26,27. En la década de 1970 se ejecutaron soluciones industriales para la descongelación al vacío por vapor. Sin embargo, esta tecnología fue retirada debido al fenómeno negativo de pérdida significativa por goteo. Los autores han modificado este método de descongelación al vacío con vapor introduciendo una etapa adicional de deshidratación preliminar del material. Se supuso que durante la sublimación del hielo a partir de productos con estructura celular, el hielo se sublimaría más fácilmente desde los canales y el espacio intercelular que desde el interior de las células. Así, se forma una estructura porosa interna11,20,25,28,29. La modificación se denominó descongelación por vapor al vacío por sublimación-deshidratación (SRVST).

El agua representa alrededor del 75% de la carne magra de cerdo1,30. Diferentes operaciones de proceso, es decir, corte, calentamiento, trituración, prensado y, en particular, congelación y descongelación de la carne dan como resultado numerosos cambios cualitativos desfavorables que dependen del nivel de pérdida de peso. En condiciones óptimas de congelación, almacenamiento y descongelación de carne de cerdo, las pérdidas de peso relacionadas con la pérdida por goteo de descongelación alcanzan el 10%, mientras que en el caso de desviaciones pueden llegar incluso al 18%31. Esto es causado por el breve tiempo de descongelación y la ausencia de rehidratación de la fase acuosa descongelada. El almacenamiento de la carne a una temperatura de -20 °C resulta en la congelación de aproximadamente el 80 % de agua que contiene19,24,32, luego el 60 % de la carne congelada es hielo (75 % de contenido de agua × 80 % de agua congelada = 60 % de hielo en la carne). De acuerdo con la Ec. (1), el calor (Qt) necesario para descongelar la carne (m = 0,6 · mm) es el producto de la masa de carne (mm) y la cantidad de fracción de masa de hielo que contenía (0,6) multiplicado por el calor de la fase de hielo-agua cambio (ct = 335 kJ/kg).

El calor proporcionado al producto por el vapor de condensación, es decir, el calor del cambio de fase vapor-líquido es cp = 2260 kJ/kg. Así, la cantidad de vapor (mp) necesaria para descongelar cierta masa de carne se determinó mediante la Ec. (2):

Para la verificación, el peso del vapor requerido para descongelar (mp) en relación al peso de la carne (mm) es:

Cuando se tienen en cuenta estos datos en el balance de calor, se demuestra que cuando se sublima el 9% de la masa de agua de la carne congelada y se introduce en su lugar formando vapor de agua (la estructura porosa), el material se descongelará por completo.

Sobre la base de las circunstancias anteriores, se elaboró una hipótesis que establece que si se sublima aproximadamente el 9% del hielo de la carne congelada, luego de la introducción de vapor en la estructura porosa de la carne así creada, se descongelará en todo su volumen sin pasar por penetración de calor desde la superficie. Durante la descongelación con vapor al vacío, el vapor se condensa en la superficie del material descongelado y el calor penetra en el material según el principio de conductividad. Sin embargo, la aplicación de deshidratación por sublimación en la etapa inicial de descongelación con vapor al vacío dará como resultado la penetración (absorción) de vapor de agua en la estructura porosa del material descongelado (en la etapa de vaporización de la cámara) y su condensación dentro del material. El vapor de condensación transfiere el calor del cambio de fase de condensación, lo que resulta en una descongelación uniforme del material en todo su volumen, lo que limita la descongelación superficial y la pérdida por goteo de descongelación.

El objetivo del estudio fue demostrar la posibilidad de la aplicación de la sublimación como etapa preliminar de la descongelación de tejidos cárnicos con el método de vapor al vacío y la determinación del efecto de la sublimación del agua en el nivel de descongelación de una porción de carne. En base a la hipótesis formulada, la aplicación de la sublimación daría como resultado la formación de una estructura porosa del material descongelado, lo que permitiría la absorción de vapor y por tanto acortaría el proceso de descongelación. Con base en la investigación, se determinó la influencia del grado de sublimación del agua en el nivel de descongelación de la muestra de carne y el grado de rehidratación, así como los caracteres de estas interacciones. El objetivo intermedio del trabajo fue reducir el tiempo de descongelación de la muestra cárnica manteniendo la calidad de la materia prima, determinada por el nivel de recuperación de peso inicial—nivel de rehidratación (Sr).

El material de investigación consiste en el músculo longissimus dorsi de un cerdo macho de engorde de raza Landrace Polaca (tipo carne) con un peso de 100 kg, recolectado de la parte lumbar (m. longissimus lumborum). La canal se almacenó en una cámara frigorífica durante dos días después del sacrificio. La muestra de carne se preparó cortando transversalmente las fibras musculares hasta un grosor de aprox. 20 mm y peso 100 g ± 5 g (largo aprox. 70 mm, ancho aprox. 30 mm). De esta forma, se prepararon 21 muestras de carne (3 repeticiones para cada variante de sublimación). Las muestras con la punta del termopar insertada en ellas6 se congelaron por convección a una temperatura de -30 °C y se almacenaron a esta temperatura durante un período de 2 semanas. Pasado este tiempo las muestras fueron descongeladas mediante descongelación con vapor al vacío por sublimación-deshidratación.

La cámara de vacío constaba de un recipiente cilíndrico (1) cubierto con una placa de vidrio (2) que permitía la observación del proceso, conectado con una bomba de vacío (3). La vaporización de la cámara se realizó utilizando el vapor obtenido de un tanque de agua caliente (4) conectado con la cámara (1) a través de un conducto con válvula. La muestra de carne congelada (5) se colocó en una cámara de vacío bajo un sensor de peso (7). Las señales de medida del termopar (6) (termopar tipo K, espesor de barra 0,2 mm, error de medida ± 1 °C) y sensor de peso (7) (módulo de báscula tipo IL 0.2, de Mensor, clase de precisión III, báscula de verificación e = 0,01 g) recolectados por una tarjeta analógico-digital (8) transferidos a una computadora y procesados usando el software MatLAB. Los valores medidos (3 repeticiones para cada variante) se archivaron en la memoria de la computadora. Durante la sublimación se encendieron dos lámparas IR (9) con 2 × 5 W, proporcionando calor al material sublimado (5).

La vista del sistema experimental y el diagrama con elementos de medición significativos para el contenido del presente documento se presentan en la Fig. 1a, b.

Banco de pruebas de descongelación por vapor al vacío por sublimación: (a) Disposición del equipo; (b) Diagrama de la configuración experimental: 1—recipiente de la cámara de vacío, 2—cubierta de vidrio, 3—bomba de vacío, 4—tanque de agua con calentador, 5—muestra de carne, 6—cable de termopar tipo K (NiCr-NiAl) , 7—Módulo de peso tipo IL 0,2 fabricado por Mensor, 8—Placa tipo PCLD-8710 conectada a un compensador de temperatura tipo PCLD-8710 y tarjeta de medida tipo PCI-1710, 9—Radiadores infrarrojos.

Se suspendió una muestra de carne congelada con termopar en el sensor de medición de peso. Se conectó el termopar y el sensor de peso a la cadena de medición y luego se cerró la cámara con la tapa. El proceso de descongelación al vacío-vapor fue precedido por la etapa preliminar de deshidratación de la carne. Para ello, se puso en marcha la bomba de vacío con la válvula del depósito de agua cerrada. Después de obtener el vacío al nivel de 50 Pa, se encendieron las lámparas IR y se llevó a cabo el proceso de sublimación hasta que se obtuvo el nivel de deshidratación asumido (Ss [%] = 0; 2; 5; 8; 10; 12; 15). Al mismo tiempo, se controló la pérdida de peso de la muestra debido a su deshidratación por sublimación. Después de obtener el peso de muestra apropiado, se apagaron las lámparas IR, se cerró la válvula de succión de la bomba de vacío y se abrió la válvula del tanque de agua, lo que resultó en vaporización de la cámara. Como resultado del calentamiento del tanque de agua, la temperatura en la cámara durante su vaporización se mantuvo a un nivel de 20–30 °C. En este período se produjo la absorción de vapor de agua por parte del material sublimado (poroso) y su descongelación. La vaporización se completó (cerrando la entrada de vapor) en el momento de la observación de vapor sobre la carne descongelada (aparición de gotas de agua en la superficie), determinando al mismo tiempo el tiempo de absorción de vapor por parte de la muestra descongelada. Posteriormente, se descomprimió la cámara y se evaluó la muestra obtenida en cuanto al nivel de su descongelación.

El nivel de deshidratación por sublimación (Ss) se determinó utilizando la ecuación. (3), como la relación entre el peso del hielo sublimado (mi) y el peso de la muestra inicial (mo), y el peso del hielo sublimado resulta de la diferencia entre el peso de la muestra inicial y después de la etapa de deshidratación (ms):

El nivel de descongelación (St) se realizó identificando el campo descongelado (temperatura superior a 0 °C), el campo no descongelado (temperatura inferior a 0 °C) y la temperatura dentro de la muestra (lectura del termopar). Para ello, la muestra descongelada se cortó centralmente, obteniendo dos muestras de medida con un espesor de aprox. 10 mm. La medición del área de la superficie descongelada y no descongelada se realizó mediante dos métodos. Usando una cámara de termovisión (FLIR typ 559384, producet FLIR System Inc. Wilsonville), determinando la distribución de temperatura en la sección transversal de la muestra después del proceso de descongelación, y en base a la evaluación de la dureza de la muestra, separando los límites de la zona congelada de la zona descongelada. La segunda prueba se realizó pinchando la muestra de carne con una aguja, separando los campos duros congelados de los blandos descongelados. Luego, se tomaron una serie de fotografías digitales de las muestras preparadas, las cuales fueron sometidas a análisis de imágenes en ambiente MatLAB. El análisis necesitó una identificación adicional de los límites del campo marcado (el contorno se hizo uniendo los sitios de punción). El algoritmo MatLAB, en base a los bordes designados, permite determinar el tamaño del área de la superficie teniendo en cuenta su forma irregular. Estos valores se utilizaron para calcular el área congelada. Los resultados de la medición se usaron para calcular el grado de descongelación St de acuerdo con la Eq. (4).

La ecuación anterior tiene en cuenta el campo descongelado (Ft) en relación con el área de superficie transversal total (Fc) y el nivel de incremento de temperatura (ΔT) en relación con el rango observado de temperatura crioscópica (ΔTcr) en relación con el campo congelado ( ff). Una descripción más extensa de la identificación de ΔT y ΔTcr se presenta en la discusión de los resultados con respecto a la cinética de descongelación (Fig. 4).

La calidad de la muestra después de la descongelación se evaluó mediante el indicador que caracteriza el nivel de recuperación de peso inicial-nivel de rehidratación (Sr), determinado mediante la ecuación no. 5, como una relación del peso después de completar el proceso de descongelación (después de la rehidratación) (me), con respecto al peso inicial de la muestra (mo).

La incertidumbre de medida Δ para los valores: nivel de deshidratación por sublimación (Ss), nivel de descongelación (St) y nivel de rehidratación (Sr) se basaron en la teoría de estimación de intervalos con el uso de la prueba t de Student para el intervalo de confianza α = 0,05, según ecuación no. 6.

El estudio se realizó en tres repeticiones para cada variante de deshidratación por sublimación Ss. Los resultados obtenidos de la medición de la masa se promediaron y se enumeraron en gráficos como relaciones entre el nivel de descongelación (St) y el nivel de rehidratación (Sr) sobre el nivel de sublimación (Ss). Para los resultados obtenidos se determinaron desviaciones estándar de dispersión hacia los valores medios obtenidos. Se utilizó una prueba post hoc HSD Tukey para comprobar la importancia de la influencia de la deshidratación por sublimación en el nivel de descongelación y el peso de la muestra después de la descongelación. Se realizaron análisis estadísticos adicionales para determinar la naturaleza del nivel de deshidratación en el nivel de descongelación St = f(Ss) y el peso de la muestra después de descongelar Sr = f(Ss) determinando las funciones de regresión para este propósito. Cada prueba estadística se realizó en el programa Statistica 13.1.

En la Fig. 2 se presenta un ejemplo de los cambios registrados en el peso de la muestra durante su sublimación para los niveles de deshidratación individuales. El curso de las curvas se interpretará de la siguiente manera. La pérdida de peso lineal observada corresponde a la etapa de deshidratación preliminar de la muestra de carne al nivel asumido en el plan experimental. Por otro lado, el aumento de crecimiento rápido corresponde a la etapa de vaporización de la cámara.

La masa de la muestra cambia durante la sublimación para diferentes grados de deshidratación por sublimación Ss.

Para cada variante del nivel de deshidratación asumido, se determinó el peso final de la muestra de carne, que constituye el criterio para la culminación de la etapa de sublimación. Para deshidratación de Ss = 8%; 10% y 12% se observó una menor pérdida de peso repetida. Esto puede deberse a un volumen demasiado bajo de la capa porosa creada en la etapa de sublimación. El vapor de agua condensado y la pérdida por goteo generada durante la descongelación no son totalmente absorbidos por el tejido deshidratado y, a medida que avanza el proceso de descongelación, escapan al exterior de la muestra, provocando la pérdida de peso.

La figura 3 presenta un gráfico de ejemplo de la cinética del cambio de temperatura de la muestra de carne en su centro geométrico para diferentes variantes de nivel de sublimación de Ss en el tiempo.

La temperatura Tc cambia en el centro de la muestra durante el método de descongelación SRVST para diferentes grados de deshidratación por sublimación Ss.

En la etapa de sublimación, la temperatura Tc para cada una de las variantes analizadas se mantuvo en el rango entre −28 y −22 °C. El momento de disminución de la temperatura en la primera etapa de sublimación proviene de la congelación repetida de las muestras. Luego de esta etapa, la temperatura de cada una de las variantes de deshidratación analizadas osciló entre −28 y −26 °C. La energía térmica necesaria para realizar la sublimación se proporcionó mediante lámparas IR, que luego del período de aprox. 1000 s dio como resultado un pequeño aumento de temperatura de la muestra descongelada, seguido de su estabilización al nivel de aprox. Tc = − 23 °C. Esto es particularmente visible para las variantes de deshidratación SS = 5–15%.

La figura 4 presenta la cinética de los cambios de temperatura de la muestra de carne descongelada en la etapa de cocción al vapor en la cámara de vacío (fase de aumento de temperatura desarrollada a partir de la figura 3). El símbolo ΔT se usó para determinar el rango de cambio de fase que ocurre dentro de la carne durante su descongelación para variantes individuales de sublimación, mientras que ΔTcr determinó el rango de temperaturas asumidas como crioscópicas (de -5 a 0 °C). El gráfico presenta el resultado para las variantes de deshidratación SS = 8; 10; 12 y 15%, porque para las variantes restantes (0; 2 y 5%) los valores de temperatura obtenidos no estaban dentro del rango crioscópico asumido. La duración de la etapa de vaporización fue diferente para cada variante de deshidratación por sublimación analizada, lo cual se visualiza con el transcurso de la curva de medición. El final de la línea determina el momento del comienzo del goteo de agua desde la superficie de la muestra. Las curvas de cambio de temperatura presentadas muestran que para el nivel de deshidratación de SS = 12% la muestra estaba completamente descongelada al momento de la aparición del goteo. Supone una temperatura interna de aprox. − 1ºC. Para los niveles de deshidratación más bajos (8 y 10 %) permanece congelado en el interior, con temperaturas por debajo de los 4 °C. A su vez, para SS = 15% la muestra se descongela antes de que ocurra la rehidratación completa de la estructura deshidratada y en el momento final del proceso la temperatura alcanza valores positivos, Tc = 5 °C. La cinética presentada también indica la tasa de descongelación. El tiempo en que la carne en su centro geométrico alcanza la temperatura de 0 °C, es menor cuanto mayor es el nivel de sublimación de los cristales de hielo.

Combinación comparativa de cambios de temperatura Tc en el centro de una muestra en la etapa de deposición de vapor de agua, para 8%, 10%, 12% y 15% de deshidratación por sublimación: ΔT el rango de cambio de fase que ocurre dentro de la carne durante su descongelación para individuos variantes de sublimación; ΔTcr el rango de temperaturas asumido como temperaturas crioscópicas (de − 5 a 0 °C).

La Figura 5 presenta ejemplos de fotografías de las mediciones de las áreas superficiales descongeladas y no descongeladas de la muestra analizada en su sección transversal, utilizando el método de imágenes térmicas 5a y el método de punción 5b.

Sección a través de una muestra descongelada: (a) imagen del campo de temperatura de la cámara termográfica (Tipo 559384, FLIR Systems. Inc., Wilsonville), (b) límite del área congelada, identificado al perforar con alfileres: Ff: congelada superficie, Ft—superficie descongelada.

El resultado de las mediciones fue la determinación del tamaño de la superficie descongelada (Ft) en relación con el área transversal total (Fc) y el tamaño de la superficie congelada (Ff). El método de termovisión resultó ser insuficiente e introdujo un error de medición debido a la rápida variabilidad de la temperatura de la superficie de la muestra durante la observación. Por lo tanto, se obtuvieron resultados de análisis adicionales basados en los resultados del método de punción, que resultó ser menos ambiguo.

La Figura 6 presenta los resultados de las mediciones y los cálculos del nivel de descongelación (St) y el nivel de recuperación de peso primario: nivel de rehidratación (Sr) para todas las variantes de deshidratación probadas.

Dependencia del grado de descongelación St y el grado de rehidratación Sr para diferentes grados de deshidratación por sublimación Ss.

Se observó que con el aumento de la deshidratación por sublimación aumenta el nivel de descongelación de la muestra. Esta relación (dentro del rango de variables probado) se puede explicar con una función exponencial. Los resultados obtenidos indican además que con el aumento del nivel de deshidratación por sublimación, el nivel de rehidratación se reduce de forma lineal. En el caso de Ss = 15% deshidratación aprox. Se observa una pérdida de peso del producto del 8%. Sin embargo, cabe destacar que este valor, según la literatura, se encuentra dentro del rango normal para el proceso de congelación y descongelación31.

Para las variantes supuestas (a excepción del 0% de muestra cero) es visible una etapa de sublimación caracterizada por una disminución del peso de las muestras ensayadas. En el momento en que se vaporiza la cámara, el vapor de agua se difunde dentro del sistema y cede calor. Como resultado de esto, el peso de la muestra aumenta y se produce la rehidratación. En el momento en que se observó condensación de vapor en la superficie del material (se produjo goteo y el peso de la muestra comenzó a disminuir), se interrumpió la etapa de vaporización. Los cambios de temperatura dentro de los centros de muestra para estas dos etapas de descongelación se presentan en las Figs. 3 y 4. La vaporización de la cámara resultó en la descongelación de la muestra como resultado de la transferencia de calor por parte del vapor condensado en la superficie, pero principalmente dentro de la estructura porosa del material descongelado. El vapor condensado llenó los espacios libres de la estructura porosa de la muestra de carne deshidratada, y luego se condensa en el interior, cediendo calor latente y dando como resultado su descongelación. Después de la rehidratación de la estructura porosa deshidratada, que ocurre a un ritmo más rápido que la descongelación completa de la muestra, el proceso de descongelación ocurre por medio de la conductividad. Los resultados del estudio cumplen con los informes de otros autores e indican que a través del proceso de sublimación al vacío, descongelación por rehidratación, también se mejora en gran medida la tasa de descongelación en comparación con el método tradicional de descongelación al vacío con vapor (muestra cero Ss = 0%)11. Esto es causado por el calor latente liberado por el vapor que se condensa dentro de la muestra de carne. Además, se observó que la eficiencia de este proceso también depende del grado de sublimación de los cristales de hielo en el producto congelado. El grado de sublimación afecta el número de canales (espacios) que se forman en el material necesario para la migración de partículas de agua en la etapa de vaporización. Cuanto mayor sea el número de los canales (poros), menor será la resistencia al intercambio de calor y peso del vapor que migra desde el exterior hacia el interior del material. Así, no sólo se incrementará la velocidad de descongelación, sino que también se prolongará el tiempo de rehidratación (ejemplo variante Ss = 15%) y se reducirán las pérdidas de peso. Por lo tanto, esto confirma la hipótesis formulada sobre la posibilidad de descongelar la carne con vapor al vacío utilizando la fase preliminar de deshidratación por sublimación.

El análisis del balance térmico de la descongelación al vacío-vapor de la carne muestra que basta con sublimar la masa de hielo de la muestra, que constituye el 9% de su masa, para, reponiendo esta pérdida con la difusión de vapor de agua, descongelar completamente el hielo que queda en la carne21,22. Los resultados del estudio experimental obtenidos en general confirmaron esta hipótesis, porque SS = 12% de deshidratación permitió obtener descongelación de la carne al nivel de 96 ± 0,5%. La principal causa de la diferencia obtenida (al nivel del 3%) puede ser la creación de una estructura porosa heterogénea en todo el volumen de la muestra de carne descongelada en la etapa de sublimación. Para la variante de sublimación anterior, el nivel de rehidratación tenía un valor similar de 96 ± 2%. En la carne descongelada (Ss = variante del 12 %) no se observaron pérdidas por goteo ni decoloraciones adicionales por descongelación, la carne estaba levemente húmeda en la superficie, no presentaba goteo y se caracterizaba por una elasticidad natural. Un nivel de deshidratación más bajo (SS < 12 %) no resultó en una descongelación completa de la muestra de carne. La cantidad de hielo sublimado en esta variante fue insuficiente para crear la cantidad adecuada de canales y espacios, lo que dio como resultado una reducción del volumen de vapor que penetraba en el producto congelado, así como la emisión de calor de condensación. Sin embargo, la deshidratación al nivel de SS = 15% resultó ser demasiado alta. La cantidad de canales (poros) producidos para esta variante de deshidratación provocó la difusión de un gran volumen de vapor de agua en la muestra descongelada y, por lo tanto, un rápido proceso de descongelación desde el interior y el sobrecalentamiento del material. Para esta muestra, el momento de inicio del goteo de agua desde la superficie de la muestra (criterio observable para el final del proceso de descongelación) correspondió a la temperatura superior a 0 °C (la temperatura llegó incluso a 5 °C), por lo que es significativamente superior a necesario.

El estudio presenta una modificación del método de descongelación al vacío con vapor para la carne mediante la introducción de una etapa adicional de deshidratación por sublimación antes de la vaporización de la cámara de vacío (SRVST sublimación-rehidratación al vacío con vapor). El sujeto de prueba seleccionado fue el músculo más largo de un dorso de cerdo de engorde, de la parte lumbar (m. longissimus lumborum), el cual fue triturado cortando transversalmente las fibras musculares y obteniendo así elementos de cocción con espesor aproximado de 20 mm y peso 100 gramos ± 5 gramos. El material se congeló a una temperatura de -30 °C y después de dos semanas se descongeló utilizando el método de descongelación SRVST sugerido. El método se verificó experimentalmente y, en base a los resultados del estudio obtenidos, se extrajeron las siguientes conclusiones.

Con respecto al conocido método de descongelación con vapor al vacío, en el que el calor necesario para la descongelación proviene únicamente de la condensación del vapor de agua en la superficie del material y luego la descongelación se produce como resultado de su conducción al material, el método se amplió con es preferible la etapa de deshidratación por sublimación preliminar. La descongelación por este método se lleva a cabo de manera uniforme en todo el volumen del material (no desde la superficie) y a un ritmo mayor. El fenómeno desfavorable de pérdida por goteo de descongelación no se observa cuando se descongela con este método.

Existe un nivel óptimo de deshidratación por sublimación que permite la descongelación. Si el grado de deshidratación es demasiado bajo, la cantidad de canales (poros) en el material es demasiado pequeña para la migración de las moléculas de agua, lo que da como resultado una reducción en el volumen de vapor de agua difusible y, por lo tanto, menos calor de condensación liberado. En tal caso, la velocidad de descongelación disminuye. Sin embargo, si el grado de deshidratación es demasiado alto, existe el riesgo de sobrecalentamiento de la muestra como resultado del aumento descontrolado de la temperatura dentro del material descongelado.

El análisis de regresión realizado permitió determinar la relación de los efectos del nivel de deshidratación sobre el nivel de descongelación St = f(Ss) y el peso de la muestra después de la descongelación Sr = f(Ss). Las relaciones desarrolladas (lineales y exponenciales) se ajustan bien a los datos empíricos. Los valores de los índices de determinación para las ecuaciones determinadas son altos (R2 = 0.97 − 0.99), lo que permite ver las ecuaciones como una descripción matemática de estas relaciones. Otros análisis en este campo podrían basarse en el uso de las ecuaciones desarrolladas para modelar el proceso (por ejemplo, modelado numérico).

Es válida una mayor investigación sobre el desarrollo de este método de descongelación, teniendo en cuenta, entre otras cosas, los parámetros del proceso, es decir, la presión en la cámara, el volumen de vapor de agua o el control del proceso. La aplicación de este método de descongelación también debe probarse con respecto a otros productos, como frutas y verduras o bloques de pescado, teniendo en cuenta sus dimensiones. También es necesario realizar más investigaciones para determinar los parámetros del proceso en condiciones comerciales.

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Adam Kopeć, Sylwia Mierzejewska, Aldona Bać, Jaroslaw Diakun y Joanna Piepiórka-Stepuk

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JD y SM escribieron el texto principal del manuscrito, análisis o interpretación de datos AK y JP Stepuk-prepararon todas las figuras, análisis o interpretación de datos AK, AB - concepción o diseño del trabajo Todos los autores revisaron el manuscrito.

La correspondencia es Sylwia Mierzejewska.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kopeć, A., Mierzejewska, S., Bać, A. et al. Modificación del método de descongelación de carne al vacío-vapor utilizando la etapa inicial de deshidratación por sublimación. Informe científico 12, 7900 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12114-7

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Recibido: 08 Abril 2021

Aceptado: 03 mayo 2022

Publicado: 12 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12114-7

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