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IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES A continuación presentamos las temperaturas tanto del aguaymanto y del medio de congelación (°C) para determinar la curva de congelación del mismo.
Cuadro 1. Datos para la determinación de la curva de congelación de aguaymanto Tiempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Temperatura (°C) Aguaymanto Medio 17.9
-19.4
14.4
-19.8
11.8
-20.1
9.2
-20.6
6.7
-20.8
4.4
-21.2
2.2
-21.5
-0.4
-21.9
-1.1
-22.1
-2.6
-22.3
-2.5
-22.3
-2.2
-22.4
-2.2 -2.2
-22.2 -21.7
-2.1
-21.4
-2.1
-21.3
-2.0
-21.1
-2.0
-20.8
-1.9
-20.5
-1.8
-20.1
-1.8
-19.8
-1.8
-19.3
-1.8
-18.9
-1.8
-18.5
-1.7
-18.0
-1.7
-17.5
-1.5
-16.9
-1.5
-16.3
-1.6
-15.7
-1.7
-15.1
Tiempo (min) 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
Temperatura (°C) Aguaymanto Medio -5.0
-12.3
-5.2
-12.9
-5.2
-13.3
-5.3
-14.0
-5.5
-14.2
-5.6
-14.6
-5.9
-15.1
-6.2
-15.3
-6.3
-15.6
-6.4
-16.0
-6.6
-16.4
-6.8
-16.7
-7.0
-16.8
-7.2
-17.1
-7.4
-17.5
-7.7
-17.7
-7.9
-18.0
-8.1
-18.2
-8.4
-18.4
-8.8
-18.6
-9.2
-18.9
-9.6
-19.2
-10.1
-19.4
-10.7
-19.4
-11.2
-19.7
-11.7
-19.8
-12.2
-20.0
-12.7
-20.2
-13.7
-20.7
-14.8
-20.9
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Temperatura (°C) Aguaymanto Medio -1.7
-14.5
-1.8
-13.8
-1.8
-13.0
-1.8
-12.1
-1.9
-11.0
-1.9
-10.2
-2.0
-9.2
-2.0
-8.3
-2.0
-7.5
-2.0
-6.7
-2.0
-5.9
-2.0
-5.3
-2.0
-4.9
-2.0
-4.5
-2.2
-4.3
-2.5
-4.0
-2.8
-1.9
-3.0
-2.6
-3.2
-3.4
-3.3
-4.5
-3.6
-5.4
-3.8
-6.2
-4.1
-7.0
-4.3
-7.7
-4.4
-8.5
-4.5
-9.1
-4.5
-9.7
-4.7
-10.5
-4.8
-10.5
-4.8
-11.3
-5.0
-12.1
Tiempo (min) 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121
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Temperatura (°C) Aguaymanto Medio -15.1
-21.0
-15.6
-21.0
-16.1
-21.2
-16.7
-21.3
-17.1
-21.4
-17.6
-21.6
-18.1
-21.7
-18.5
-21.7
-19.1
-22.0
-19.4
-22.0
-19.7
-22.1
-20.1
-22.3
-20.3
-22.4
-20.7
-22.4
-20.9
-22.5
-21.1
-22.6
-21.3
-22.6
-21.7
-22.7
-21.8
-22.7
-22.0
-22.8
-22.1
-22.8
-22.3
-22.8
-22.4
-22.9
-22.4
-23.0
-22.7
-23.1
-22.8
-23.2
-22.9
-23.3
-23.1
-23.3
-23.2
-23.4
-23.3
-23.5
-23.5
-23.5
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CURVA CURVA DE CONGELACIÓN DEL AGUYMANTO 20 15 10 ) 5 C ° ( A 0 R U 0 T -5 A R E P -10 M E T -15
20
40
60
80
100
120
140
-20 -25 -30
TIEMPO (min)
Figura 1. Curva de congelación del aguaymanto. De acuerdo con Barreiro y Sandoval (2006), existen varios métodos para describir las las tasas y curvas de enfriamiento en los alimentos, entre los que se pueden citar: determinación de relaciones tiempo-temperatura; la velocidad de avance del denominado frente de congelación desde las zonas más frías a las más calientes durante la congelación; la apariencia del producto, y estudios de análisis térmico. El primero de ellos es el más usual y fácil de realizar. Si se introduce un termopar en un alimento y se determina su curva de enfriamiento, es decir, la temperatura en ordenadas y el tiempo en abscisas. No todas las curvas de enfriamiento son iguales dependiendo su forma de la velocidad de remoción de calor, la geometría del producto, empaque, el modo de transferencia de calor y las propiedades térmicas del alimento. En una curva sin subenfriamiento. Originalmente, el producto se encuentra a una temperatura T0, descendiéndola temperatura hasta el nivel Tc correspondiente a la temperatura de congelación. En este periodo se enfría el alimento removiendo calor sensible por encima de su punto de congelación, sin que ocurra cambio de fase. Posteriormente, al alcanzarse alcanzarse la temperatura de congelación, el agua dentro del alimento alimento comienza a cristalizar, ocurriendo este proceso teóricamente a temperatura constante. (Barreiro y Sandoval, 2006)
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Se puede observar claramente en la curva de congelación del aguaymanto que esta se enfría rápidamente hasta el minuto 13, alcanzando una temperatura de -2.2°C, luego la temperatura aumenta rápidamente hasta alcanzar el punto de congelación, el cual se da al minuto 27, a un temperatura de -1.5°C, ya que al formarse los cristales de hielo se libera el calor latente de congelación a una velocidad superior a la que este se extrae del alimento. Posteriormente notamos en la curva que el calor se elimina a la misma velocidad que en las fases anteriores. Se elimina el calor latente y se forma el hielo, pero la temperatura permanece casi constante. El incremento de la concentración de solutos en la fracción de agua no congelada provoca un descenso en el punto de congelación y la temperatura desciende ligeramente. Es en esta fase en la que se forma la mayor parte de hielo. Con esto verificamos lo que lo dicho por Barreiro y Sandoval. En realidad y a causa del fenómeno previamente descrito del descenso del punto crioscópico, debido a la concentración de solutos en el alimento durante la congelación, este tramo no ocurre a temperatura constante, sino que se observa siempre una disminución de la temperatura aun nivel Tc al final de la inflexión. En este lapso se congela la mayoría del agua en el alimento. Posteriormente, la temperatura desciende el final de la plataforma Tc, hasta la temperatura final de congelación Tk siguiendo siguiendo una curva cóncava hacia arriba y alcanzando asintóticamente la temperatura del medio de congelación. La concavidad de esta curva se explica por el hecho de que el agua remanente sin congelar en el alimento es cada vez más fácil de cristalizar debido al mismo fenómeno discutido. En una curva de enfriamiento en la que se observa el fenómeno del subenfriamiento. Éste, este viene representado por el pozo al final de la primera etapa, en el cual la temperatura del alimento desciende por debajo del punto de congelación (Tc”), sin que de hecho el agua congele. En esta etapa, el agua conserva las propiedades del agua líquida subenfriada. El fenómeno del subenfriamiento no ocurre en todos los alimentos, observándose por lo general en alimentos basados en sistemas coloidales o líquidos muy viscosos. Posteriormente ocurre una subida brusca de la temperatura hasta alcanzar la temperatura de congelación Tc, prosiguiendo la curva de enfriamiento en forma similar a la anteriormente descrita. (Barreiro y Sandoval, 2006) El conocimiento de las curvas experimentales de enfriamiento permite determinar el punto de congelación de los alimentos. En loa alimentos con subenfriamiento se extrapola la curva en la plataforma hasta que corte a la de la primera fase, definiendo, el corte de ambas, el punto inicial de congelación. En el caso de las curvas sin subenfriamineto, éste se define en el punto Tc, donde comienza la inflexión.
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A continuación procederemos a determinar el tiempo de congelación del aguaymanto mediante el modelo de plank, los datos para los cálculos se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 2. Datos para la determinación del tiempo de congelación del langostino Datos del Aguaymanto congelado Densidad del aguaymanto congelado (Kg/m3) Calor latente de fusión del aguaymanto (J/Kg) Coeficiente convectivo (W/m2°C) Conductividad térmica del aguaymanto congelado (W/m°C) Temperatura de congelación (°C) Temperatura del medio de congelación (°C) Diámetro del aguaymanto (m)
1055.27 268000 38.5 1.972 -19.4 -23.5 0.015 0.166666667 0.041666667
⁄ ⁄ * ⁄ ⁄ +
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A continuación procederemos a determinar el tiempo de congelación del aguaymanto mediante el modelo de Nagaoka, los datos para el cálculo se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 3. Datos para la determinación del tiempo de congelación del Aguymanto Datos del Aguaymanto Densidad Densidad del aguaymanto aguaymanto congelado congelado (Kg/m (Kg/m ) Calor latente de fusión del aguaymanto (J/Kg) Coeficiente Coeficiente convecti convectivo vo (W/m (W/m °C) Conductividad térmica del aguaymanto congelado (W/m°C) Temperatura de congelación (°C) Temperatura del medio de congelación (°C) Temperatura final en el centro (°C) Temperatura inicial (°C) Diámetro del aguaymanto
C
alor específico del material no congelado (KJ/kg°C) Calor específico del material congelado (KJ/kg°C)
1055.27 268000 38.5 1.972 -19.4 -23.5 -2.8 17.9 0.015 0.166666667 0.041666667 3.562614 1.709254063
A continuación procedemos a calcular el nuevo calor latente de fusión mediante Nagaoka
[ ]
⁄ ⁄ * ⁄ ⁄ +
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A continuación procederemos a determinar el tiempo de congelación para el aguaymanto mediante el método de Pham.
Tabla 4. Datos de la densidad y calor específico del aguymanto antes y después de congelación Datos del aguaymanto Densidad Densidad del aguaymanto aguaymanto sin congelar congelar (Kg/m (Kg/m ) Densidad del aguaymanto congelado (kg/m3)
1910.24 1055.27
Calor específico del aguaymanto sin congelar (KJ/Kg°C)
3.562614
Calor específico del aguaymanto congelado (KJ/Kg°C)
1.709254063
Procedemos a determinar la temperatura media de congelación:
Procedemos a calcular el cambio entálpico volumétrico ΔH 1, en el periodo de enfriamiento:
( ) ⁄ ⁄ ⁄ Procedemos a calcular el cambio entálpico volumétrico (J/m3) ΔH2,durante el cambio de fase y periodo de postenfriamiento:
[ ( )] ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ A continuación se procede a calcular el número de Biot
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⁄ ⁄ ⁄ Se conoce que el factor forma para una esfera infinita es:
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Finalmente procedemos a determinar el tiempo de congelación, mediante la ecuación:
⁄ ⁄ ⁄ * + ⁄ De acuerdo con Rapin (1990), la duración de la congelación depende de varios factores muy variables, entre otros, el calor latente de congelación, la forma, la textura, las dimensiones, coeficiente de conductividad, embalaje, coeficiente de transmisión superficial del producto, la colocación en el congelador, temperatura aplicada, sistema utilizado, etc. En nuestro caso cabe señalar que el parámetro que más influye en el tiempo de congelación es el coeficiente de transmisión de convección de calor, hc, debido principalmente que tomamos como referencia el coeficiente convectivo según diversos trabajos experimentales , el cual varía entre 10y 67 W/m2°K, para congelación con aire. A valores bajos de dicho coeficiente, el tiempo de congelación se verá muy afectado por pequeños cambios en dicho coeficiente. La temperatura inicial y final del producto afectarán ligeramente los tiempos de congelación, a pesar de que no se han considerado en la ecuación de Plank.
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De acuerdo con Solis (2000), en la congelación el calor del alimento pasa por conducción, del interior a la superficie y de ella al medio de congelación. Los factores relativos al producto a congelar y al equipo utilizado y que determina la velocidad de transferencia calórica son: dimensiones y forma del producto (particularmente su espesor), temperatura inicial y final, temperatura del refrigerante, coeficiente de transferencia de calor superficial del producto, variación de entalpía, conductividad térmica del producto. En un alimento envasado, el envase impone una barrera al flujo calórico. El tiempo de congelación tiene que ser suficiente para asegurar que la temperatura del producto se reduzca a la temperatura final deseada la misma que es establecida por el nivel requerido para establecer y mantener la calidad del producto. La duración de la congelación depende varios factores muy variables, entre otros el calor específico, el calor latente de congelación, la forma, textura, las dimensiones el coeficiente de conductividad, embalaje, coeficiente de transmisión superficial del producto, la colocación en el congelador, temperatura aplicada, sistema utilizado, etc. ( Rapin, 1990) La congelación rápida retrasa muy pronto las reacciones químicas y enzimáticas de los alimentos deteniendo el crecimiento microbiano. El mismo efecto produce la congelación lenta pero con menor rapidez. De acuerdo con Instituto interamericano de Ciencias Agrícolas, (1980) los efectos físicos de la congelación son de gran importancia. El volumen de alimento congelado se expande levemente y se forman cristales de hielo que aumentan de tamaño. Generalmente tales cristales son mayores en la congelación lenta acumulándose más hielo entre las células que en el caso de la congelación rápida. Las Las células pierden agua por la formación de hielo con lo que aumenta la concentración de los solutos en el líquido no congelado y continuamente disminuye el punto de congelación hasta que se alcanza una condición estable. Se dice que los cristales de hielo rompen las células e incluso los microorganismos, más los investigadores modernos no conceden a este hecho demasiada importancia. El aumento de la concentración de los solutos en las células acelera la precipitación y desnaturalización de las proteínas ocasionando cambios irreversibles en los sistemas coloidales tales como la sinéresis de los coloides hidrófilos; se cree que es ésta la causa de la destrucción de los gérmenes. Como sea dicho, las bacterias, y probablemente otros microorganismos, donde más rápidamente mueren es entre -1 y -5 °C. Por lo tanto, se destruirán más por la congelación lenta que por la rápida, pero a la vez serán más numerosos los cambios físicos perjudiciales. Existen cambios en la calidad de los productos cuando son sometidos a procesos de congelación. Por ejemplo, un producto sin congelar tendrá 70% de agua y 30% de sólidos
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totales a cualquier temperatura por encima de la temperatura inicial para la cristalización de hielo. Sin embargo, con un cambio de temperatura de 5 ° por debajo de la temperatura inicial de congelación, un producto podría tener 30% de agua sin congelar, 40% de agua congelada o hielo y el mismo 30% de sólidos totales. Este cambio se presenta de manera gradual y por cada grado de cambio de temperatura, habrá cambios en la composición del producto. Al disminuir la temperatura, el porcentaje de hielo incrementará en oposición al agua sin congelar. A una temperatura mucho menor que la inicial a la de congelación, una pequeña fracción de agua permanecerá en el estado líquido y será agua no congelable (Heldman y Hartel, 1997, citados en Gómez et al .,., 2007). La mayoría de las frutas son suaves en textura incluso antes del congelado y descongelado, sin embargo la congelación tiende a alterar la estructura y destruir la turgencia de las células vivas en los tejidos. Los métodos de preparación para frutas que se van a congelar se ven influenciados por la fragilidad de tejidos de frutas y deberán de ser escogidos cuidadosamente, a diferencia de las hortalizas donde fibras permiten mantener la estructura después del congelado. Regularmente entre los pretratamientos se encuentran: el lavado, el pelado, el rebanado o cortado, el escaldado, también están el procesado de la fruta (generación de jugos o néctares) y el empacado (Skrede, 1996, citado en Gómez et al., 2007). Para establecer las condiciones de congelación es necesario considerar las velocidades del proceso de congelación, con gelación, con la finalidad de minimizar la ruptura de la pared par ed celular, ya que se tiene como objetivo disminuir las pérdidas de calidad, causadas por las diferentes velocidades de congelación a las que pueden ser sometidos los alimentos, así, se deberá elegir la velocidad y condiciones más adecuadas para el producto en cuestión (Skrede, 1996 citado en Gómez et al., 2007). El empacado de frutas es utilizado para excluir el aire desde el tejido de la fruta. El reemplazo del oxígeno por azúcares o gas inerte, los cuales consumen el oxígeno por la glucosa-oxidas y/o el uso de vacío y de películas impermeables al oxígeno para prevenir y retardar el oscurecimiento y otros cambios de color. Las frutas son empacadas en bolsas de plástico, botes de plástico, bolsas b olsas de papel, latas o en bolsas b olsas de polietileno (Gradziel, 1988; 198 8; Venning et al., 1989, citado en Gómez et al., 2007). La calidad de los alimentos congelados se encuentra influenciada por la velocidad con que se produce la congelación. Diversas características de calidad están relacionadas con el tamaño de los cristales el cual es una consecuencia de la velocidad con que se produce la congelación. El principal efecto de la congelación sobre la calidad de los alimentos es el
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daño que ocasiona en las células el crecimiento de los cristales de hielo. La congelación prácticamente no provoca afectaciones desde desd e el punto de vista nutritivo. La resistencia de diversos tejidos animales y vegetales a la congelación es muy diversa. Así, las frutas y los vegetales, por ejemplo, presentan una estructura muy rígida por lo que la formación de los cristales de hielo puede afectarlos con mayor facilidad que a las carnes. La congelación de los tejidos se inicia por la cristalización del agua en los espacios extracelulares puesto que la concentración de solutos es menor que en los espacios intracelulares. Cuando la congelación es lenta la cristalización extracelular aumenta la concentración local de solutos lo que provoca, por ósmosis, la deshidratación progresiva de las células. En esta situación se formarán grandes cristales de hielo aumentando los espacios extracelulares, mientras que las células plasmolizadas disminuyen considerablemente su volumen. Este desplazamiento del agua y la acción mecánica de los cristales de hielo sobre las paredes celulares provocan afectaciones en la textura y dan lugar a la aparición de exudados durante la descongelación. Cuando la congelación es rápida la cristalización se produce casi simultáneamente en los espacios extracelulares e intracelulares. El desplazamiento del agua es pequeño, produciéndose un gran número de cristales pequeños. Por todo ello las afectaciones sobre el producto resultaran considerablemente menores en comparación con la congelación lenta. No obstante, velocidades de congelación muy elevadas pueden provocar en algunos alimentos, tensiones internas que pueden causar el agrietamiento o rotura de sus tejidos. Existen diversa maneras de definir la velocidad de congelación siendo estas: el tiempo característico de congelación, el tiempo nominal de congelación y la velocidad media de congelación. Los alimentos, al congelar, aumentan su volumen debido a la menor densidad del agua congelada en relación con el agua líquida. Esto es especialmente notable en los alimentos con un elevado contenido de humedad. Este hecho debe ser tomado en cuenta cuando se diseñan o escogen recipientes para congelar alimentos en su interior. Dichos recipientes no deben ser rígidos, ya que pueden fracturarse o deformarse al expandirse el alimento congelado en su interior. En el proceso de congelación de pulpas y jugos de frutas en tambores metálicos o plásticos de grandes dimensiones (por ejemplo 190 litros), normalmente el jugo se coloca en bolsas plásticas, las cuales se cierran por anudado o con un sello térmico, para lugo congelar el producto dentro de los tambores deben ser tales que se deje suficiente espacio de tope para permitir la expansión durante la congelación sin que se desgarren d esgarren las bolsas bolsa s o se deformen def ormen los tambores.
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La disminución de la densidad y, por ende, el aumento de volumen de los alimentos al congelar varía de producto a producto, dependiendo principalmente de su contenido de humedad y composición (Barreiro y Sandoval, 2006)
V. CONCLUSIONES Se obtuvo la curva de congelación del aguymanto (uchuva), de esta forma se puede decir que el proceso de congelación en los alimentos es más complejo que la congelación del agua pura. Los alimentos al contener otros solutos disueltos además del agua, presentan un comportamiento similar al de las soluciones. Se obtuvo los valores para el tiempo de congelación del aguymanto (uchuva) utilizando los modelos: Plank, Nagaoka, Pham El tiempo de congelación depende de diversos factores, unos son relativos al producto a congelar y otros al equipo utilizado: coeficiente convectivo, dimensiones y forma del producto, temperatura inicial y final.
VI. RECOMENDACIONES No meter nunca alimentos calientes en el congelador ya que aumentaría la temperatura del electrodoméstico afectando negativamente a otros alimentos. Tener cuidado con el manejo de equipos.
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Solis, R. (2000). Tesis de grado previa la obtención del título de: Doctor en química. Escuela de ciencias químicas. Riobamba, Ecuador. Rapin, P. (1990). Prontuario del frío. Editorial Reverté, S.A. Barcelona, España. Instituto interamericano de ciencias agrícolas, (1980). Curso sobre preparación y evaluación de proyectos agroindustriales. Tunja, Colombia. Barreiro J., y Sandoval A., (2006). Operaciones de conservación de alimentos por bajas temperaturas. Editorial Equinoccio. Valle de sartenejas, Baruta, estado de miranda, caracas, Venezuela.
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VII. ANEXOS Cuadro 2. Condiciones de congelación para algunas frutas Producto
Fresas
Rebanadas de mango
Condiciones de congelación Medio Temperatura(°C) Nitrógeno -20 y -30 líquido Congelación Profunda
-20
Congeladores en placas
-40
Nitrógeno líquido
-196
Congelador en túnel
-20(1h)
Mnazanas y Duraznos Congelación Convencional
(13h)
Observaciones
Referencias
Mejor textura y menor pérdida por goteo en Holdsworth, periodo de 1970 almacenamiento de 6 a 12 meses. Buen pretratamiento al secado, al rehidratar el producto mejora la Ramamurty y textura debido a que Bongirvar, 1979 facilita rehidratación del tejido. Se encontró que una alta velocidad de secado en combinación con una rápida Phan y descongelación por Mimault,1980 microondas da como resultado una estructura más firme y minimiza el exudado de las frutas.
Tabla 5. Composición proximal de distintas frutas nativas peruanas (g/100gde fruta)
Componente Humedad (%) Cenizas (%) Proteína cruda (%) Fibra cruda (%) Grasa cruda (%) Carbohidratos (%) Energía total (Kcal/100g de muestra)
Tuna verde
Tuna roja
Tuna Tomate Aguaymanto Papaya de anaranjada de árbol monte
81.7 0.4 1.5
78.4 0.4 0.9
80.6 0.5 0.9
82.9 1.0 1.9
79.8 1.0 1.9
93.7 0.5 0.9
3.7 0.1 16.3
3.5 0.1 20.2
3.9 0.1 17.9
4.5 0.1 14.1
3.6 0.0 17.3
0.6 0.0 4.9
72.1
85.3
76.1
64.9
76.8
23.2
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a r u t a r e p
Punto de congelación
e T
aparente
Tiempo
Figura 2. Curva típica de congelación sin subenfriamiento
Punto de congelación aparente a r u t a r e p e T
Subenfriamiento
Tiempo
Figura 3. Curva típica de congelación con subenfriamiento
Figura 4. Curva de congelación del agua
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Tabla 6. Densidad de algunos alimentos antes y después de la congelación (De Gruda y Postolski, 1984) Producto Melocotones/durazno Albaricoques Grosellas Ciruelas Fresas Guisantes Alubias Tomates Carne magra Carne grasa Mantequilla Pescado magro
Densidad Densid ad (kg (kg/m /m ) sin congelar 1000 1000 1000 1030 950 1020 950 1000 1000 920 950 1000
Congelado
% de variación
950 940 950 980 900 970 890 940 960 900 940 950
-5.0 -6.0 -5.0 -4.9 -5.3 -4.9 -6.3 -6.0 -4.0 -2.2 -1.1 -5.0
Figura 2. Aguymanto (uchuva) fresco.