JOSE DAVID TORRES GONZALEZ INGENIERÍA DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE CARTAGENA 2014
Fritura de alimentos Definición
del proceso Métodos de freído Tipos de aceite Cambios físicos f ísicos y químicos Etapas de la Transferencia de calor Etapas de la Transferencia de materia Modelización del proceso Investigaciones relacionadas Bibliografía
Definición
La fritura de los alimentos puede definirse como el un tipo especial de cocción por inmersión en aceite o grasa a una temperatura superior al punto de ebullición del agua, normalmente entre 150 y 200ºC (Kochhar y Gertz, 2004; Varela et al., 1998). básicamente es un proceso de deshidratación por inmersión en aceite caliente (sosa et al 2006; gamble et al 1987) Además de los cambios organolépticos organolépticos que provoca provoca la fritura, un efecto adicional es la preservación del alimento, como resultado de la destrucción de los microorganismos e inactivación de enzimas por efecto del calor y de la reducción de la actividad de agua, sea en la superficie o dentro del alimento, cuando éste se procesa en finas láminas (Fellows, 1998).
EL PROCESO DE FRITURA
La diferencia de temperatura entre el alimento y el aceite desencadena un proceso simultáneo de transferencia de calor y de materia. (sistema conducción conveccion e intercambio aceite-agua) El calor es transferido del aceite al alimento y sirve para evaporar el agua del alimento, pasando al aceite como burbujas de vapor; además, el aceite va a penetrar en el alimento. Al mismo tiempo las propiedades físicas del alimento (conductividad térmica, difusividad, capacidad calorífica y la densidad) varían con los cambios de temperatura y de humedad que suceden en el interior del mismo (Moreira, 2001; Sahin et al., 1999b; Vitrac et al., 2000).
Durante el proceso de fritura tienen lugar multitud de cambios físicos, químicos y nutricionales en el alimento. Estos cambios dependen, entre otros factores, de la humedad y del tipo de alimento, de la calidad de aceite utilizado y de la temperatura del proceso, así como del tiempo de residencia del producto en el aceite caliente (Dobarganes et al., 2000; Moreira, 2001
Fig. Schematic cross-section of a piece of food during deep fat frying, taken from Saguy, Ufheil & Livings, 1998. (right) Scanning Electron Microscope image of a cross-section of the crust of a fried potato, taken from Singh, 1995.
Calentamiento inicial: durante la etapa inicial de calentamiento, la superficie de un alimento sumergido en aceite se calienta a una temperatura equivalente al elevado punto de ebullición del aceite. El modo de transferencia entre el aceite y el alimento ocurre por conveccion natural y no hay vaporización de agua desde la superficie del alimento.
Ebullición superficial: en esta etapa la vaporización del agua comienza desde la superficie del alimento. De modo que la transferencia de calor cambia de conveccion natural a conveccion forzada debido a la turbulencia en el aceite que rodea al alimento
Velocidad decreciente: en esta etapa del proceso de freído, sale mas humedad del alimento, y la temperatura de la parte central interna hasta el punto de ebullición. En la región central interna se efectúan algunos cambios fisicoquímicos como gelatinización de almidones y desnaturalización de proteínas. La capa de corteza superficial sigue aumentando en espesor y la velocidad de transferencia de vapor continua disminuyendo en la superficie.
Punto final de burbujas: esta etapa se observa si el freído se continua por un periodo largo. La velocidad de eliminación de la humedad disminuye y ya no se observan mas burbujas escapando de la superficie del alimento. A medida que prosigue el proceso de freído, el espesor de la capa de corteza sigue aumentando
Cambios durante el freído En el freído el aceite imparte atributos especiales al alimento que en algunos casos son favorables y en otros no:
Incremento de la temperatura del alimento. Mejor sabor (debido a los lípidos) Mejor olor (compuestos volátiles) Formación de costra superficial Perdida de humedad (inversa al tiempo de exposición) Desnaturalización de las proteínas Ganancia de aceite por parte del alimento (que es lo que se busca reducir) Gelatinización de almidones (ablandamiento de los tejidos) Cambios micro estructurales en el interior del alimento y del medio de procesamiento causados por la temperatura ( cambios en los nutrientes, aumento de la viscosidad, la tensión superficial aceite disminuye, la grasa se oxida )
Métodos de freído FRITURA POR SUPERFICIE Se realiza en un recipiente poco profundo, cuyo fondo está cubierto de grasa o aceite. La función principal de la grasa es impedir que los alimentos se adhieran a la sartén. Con este método se fríe solamente una superficie del alimento, por lo que es necesario voltearlo para tener una cocción uniforme.
Fritura por inmersión o profunda
Se cubre el alimento completamente con grasa o aceite. La temperatura óptima para esta clase de fritura varía entre 148 y 182 °C (Coenders, 1996). Las temperaturas más altas producen la descomposición de los aceites y grasas; si son más bajas, los alimentos absorberán cantidades excesivas del agente de la fritura. La cocción se completa cuando el exterior del alimento está tostado y, por lo general, adquiere un color café dorado. En este método no es necesario voltear el alimento, y la cocción es uniforme.
Medios de procesamiento La fritura es un método de cocción rápido por ello es necesario verificar la temperatura interna que alcanzan los alimentos cuando se fríen. No sobrecalentar las grasas y aceites (nunca calentar por encima de 180 ºC), Filtrar las grasas y aceites luego de cada uso. Verificar la calidad de las grasas y aceites (color, olor y sabor), Desechar las grasas y aceites con cambios evidentes de color, olor o sabor. Las grasas o aceites que se utilicen para freír deben ser puros, ya que las impurezas se descomponen con altas temperaturas y producen olores y sabores desagradables. Cuando una grasa o aceite comienza a emitir humo significa que se ha iniciado su deterioro.
Factores que afectan la absorción de aceite en los alimentos
Existen varios factores que afectan la absorción de aceite en los alimentos; alguno de los mas importantes son
Calidad y composición del aceite Temperatura de duración del freído Contenido de humedad Composición Tratamiento previo al freído Tratamiento de la superficie y tensión interracial Fuerza de gel y corte Porosidad
Tratamientos previo al freído
Si se escalda o se disminuye la humedad antes del freído, se disminuye la absorción del aceite. (Hubbard et al 2000) Si se añade al producto CMC la absorcion de aceite disminuye (O. Esturk, R. K. Singh, A. Kayacier , 2000) El congelamiento antes de freír parece reducir la absorción de grasa en papas a la francesa (farkas et al 1998)
Tratamientos de la superficie y tensión interfacial
El recubrimiento con harina y con pan molido afecta la absorción de grasa. Los palitos de pescados rebozados en harina. Ya que reduce la perdida de agua durante el freído, lo que a su vez reduce la absorción de grasa. La absorción de grasa aumenta notablemente cuando la tensión superficial inicial es baja, (por ejemplos alimentos refritos) por lo que se concluye que una superficie hidrófoba aumentara la absorción de grasa durante el freído por inmersión. De manera similar, los tratamientos o los aditivos que aumentan las tensiones interfaciales deben reducir la absorción de aceite
Fuerza de gel y corteza
En los alimentos estructurados, la fuerza del gel (formado por gelatinización o si se le adhiere al alimento) es importante para regular la absorción de aceite. Esta se reduce con una mayor fuerza de gel, quizá por la creación de una barrera y un obstáculo para el movimiento de agua a la superficie por evaporación. La corteza se forma durante el proceso de freído por inmersión y su desarrollo afecta la transferencia de calor y la absorción del aceite. El grosor de la corteza es mayor cuando la fuerza del gel es baja en comparación con el caso cuando la fuerza del gel es alta. Cuando la corteza esta bien formada y muy seca, otros factores como la porosidad, y la permeabilidad desempeñan una función importante en la absorción del aceite.
Porosidad
La porosidad inicial del producto se halla relacionada directamente con el nivel de absorción de aceite en los alimentos fritos por inmersion. Aunque la porosidad aumenta con el tiempo de freido, la captacion del aceite es importante solo durante las etapas iniciales del freido. La porosidad del producto puede controlarse cambiando la pelicula alrededor de la superficie del producto.
Modelación
Es importante para el esclarecimiento de los procesos. Para el modelado y cálculo de sistemas de freído de alimentos por inmersión en aceite es muy importante la determinación de los coeficientes de transferencia de calor y masa. Los métodos reportados en la literatura para medir dicho coeficiente presentan algunas limitaciones (Moreira et al., 1999) tales como: a) Faltan técnicas estándar de medida b) Pocas veces se toma en consideración la transferencia de masa c) Escaso conocimiento del coeficiente de transferencia de calor (en función de la posición del material) d) No existe uniformidad en la estimación y reporte de errores de medida, e) Geometría del producto.
Equipo de fritura (yildiz et al 2007; alvis et al 2009) 8.5 mm
8.5 mm
70 mm
5 L de aceite De girasol
150 170 190
C
REGLA DE LA SUPERPOSICIÓN
Los alimentos presentan estructuras heterogéneas. Para obtener resultados efectivos se asume siempre que los procesos de transferencia de calor y masa en alimentos se presentan como sistemas homogéneos para de esta manera facilitar el tratamiento de la información a partir de las ecuaciones semi-empíricas.
Modelación (Yildiz Et al 2007; Alvis Et al 2009)
Determinación de la temperatura en cualquier punto en una placa infinita
Por la regla de la superposición tenemos
T x, y, t T T x, t T T y, t T placa inf inita * T T i placafinit a T i T T i T placainf inita
Para la fritura de papas a la francesa y trozos de ñame: T x, t T T y, t T t A exp 2 12 2 L T i T T i T
Donde A:
2 sin 1 A 1 sin 1 cos 1
2
(7)
x y cos 1 cos 1 L L
Aplicando ln a ambos lados de la ecuación 7: T x, y , t T t (9) ln ln A 2 12 2
T i T
L
T x, y, t T T T i
ln
Al graficar contra el tiempo se obtiene una línea recta, cuya pendiente es igual a 2
1
2
L
Pendiente de la sección lineal de la relación adimensional de la temperatura vs el tiempo usada para la determinación del coeficiente de transferencia de calor
Determinación del número de Biot (B ih) para la transferencia de calor: Bih
1 tan 1 para una placa infinita
Determinación del coeficiente de transferencia. De calor (h): Bih
hL
k
La conductividad térmica, la difusividad, el calor especifico y la densidad de la muestra fueron determinadas en base a la composición del alimento y la temperaturas requeridas por ( Choi y Okos 1985)
TRANSFERENCIA DE MASA
C
C x, t C i
C
x 2 Dt * cos n exp 2 n sin n cos n L L 2 sin n
n
(14)
al graficar
vs t obtenemos los valores de coeficiente de difusión D
Pendiente de la sección lineal de la relación adimensional concentración de la humedad vs el tiempo usada para la determinación del coeficiente de transferencia de masa
Determinación del número de Biot (Bim) y del coeficiente de transferencia de masa:
La dependencia de la difusividad del agua con la temperatura se determina utilizando la ecuación de Arrhenius:
ln D
ln D 0
E / R
1 T
Donde D es el coeficiente de difusión y D 0 coeficiente de difusividad efectivo, Ea energía de activación del agua (J/mol) R es la constante universal de los gases para vapor de agua (8,3143 J·K -1·mol-1) T es la temperatura en K.
DETERMINACIÓN DIFUSIVIDAD EFECTIVA DE AGUA
Ea=27.6 KJ/mol
Effect of frying temperature on diffusion coefficients (Yildiz et al 2007)
(CRANK, 1964-1975; NEWMAN, 1931; GAMBLE ET AL 1989; FAKAS 1995; MOREIRA ET
AL 1995; COSTA ET AL, 1999; SAHIN ET AL 1999; KROKIDA ET AL. 2000; HUBBARD, 2000; MATH ET AL 2004; BUDZAKI Y SERUGA 2005; ALVIS 2010) Utilizaron modelo exponencial de primer orden
=A Donde Mt=contenido de humedad en el tiempo t (kg H2O/kg sólidos); t= tiempo en minutos; A= constante (kg H2O/kg sólidos); b= constante de tiempo (1/s). Con la difusividad y la energía de activación al existir un gradiente de concentración de humedad a lo largo de la dirección radio de difusión, se considera el cumplimiento de la segunda ley de Fick de la difusión transitoria., la cual se expresa mediante la ecuación:
2C A 2C A 2C A C A D AB 2 2 2 y z x
siendo 0 el tiempo, CA la concentración de A en kgmol / m3 y x, y, z las coordenadas cartesianas en las que puede tomar lugar la difusión. Resolviendo esta ecuacion para una sola dimensión tenemos la ley de fick en una dimension:
La ecuación que representa la segunda ley de Fick (estado transitorio o inestable) ha sido resuelta para los casos de geometrías definidas (Crank 1975)
Descartando los términos de mayor orden y asumiendo Mi = 0 y reagrupando los términos, esta queda simplificada como
La influencia de la temperatura de freído sobre el coeficiente de difusión efectivo muestra un comportamiento tipo Arrhenius:
Donde D0 es el coeficiente efectivo de difusión del agua , Ea es la energía de activación del agua a esa temperatura, R es la constante de los gases, y T es la temperatura. Graficando ln D en función de 1/T, se obtiene el valor de D0
VÉLEZ RUIZ Y SOSA-MORALES (2003) MODELARON LA TRANSFERENCIA DE CALOR DURANTE EL FREIDO DE DONAS CILINDRICAS MEDIANTE LA ECUACIÓN –
Dado que
Establecemos límites de integración
(J/kg C, Ti = temperatura inicial, t= tiempo, T , temperatura del fluido, y T(t)= T. temperatura en el tiempo t, h coeficiente de transferencia calor (W/m2 C) A es el area, p es la densidad, V es el volumen.
Donde Cp. Capacidad calorifica,
∞
Conclusión
La estimación de los parámetros de calor y masa es muy necesaria para el diseño de equipos apropiados para el freído y para optimizar el proceso. El mercado de alimentos fritos es muy importante y se encuentra en un periodo de expansión. En el momento actual existe una preocupación creciente por la calidad de los alimentos, siendo por tanto muy importante considerar los aspectos del proceso que inciden en la misma. Respecto a las características organolépticas, el consumidor busca que éstas le recuerden al producto original o a determinados atributos, tales como la crocancia. Los pre tratamientos pueden constituir también una herramienta para incidir en la calidad de los productos fritos.
