È possibile ottenere facilmente informazioni sulla quantità di freddo necessaria per raffreddare o surgelare un prodotto. Il raffreddamento o surgelazione criogenica può essere riassunto come un trasferimento di calorie tra l'azoto liquido e l'alimento.
Stima del Fabbisogno di Raffreddamento di un Prodotto Alimentare
I fabbisogni di raffreddamento sono legati alla composizione del prodotto. I componenti che compongono un prodotto non hanno tutti le stesse caratteristiche termiche. Nell'industria alimentare, queste sono ovviamente note ai produttori e sono riportate sull'etichetta della confezione per informare il consumatore.
Per semplificare le cose, la composizione degli alimenti può essere ridotta a tre elementi fondamentali:
- Acqua, che è l'elemento predominante nei prodotti alimentari, spesso a livelli compresi tra il 60 e il 90%.
- Materia grassa, che varia tra lo 0 e il 40%.
- Il resto, che è considerato “materia secca”.
Nella criogenia alimentare, una formula termodinamica viene utilizzata per calcolare l'energia necessaria per surgelare un alimento. Viene indicata in kJ/kg (o comunemente in kcal/kg). Nel caso della surgelazione, si calcola la differenza di entalpia (quantità di energia) del prodotto tra il suo stato iniziale (quando è fresco) e lo stato finale (il prodotto surgelato), tenendo conto del cambiamento di stato di una parte del prodotto durante la fase di surgelazione (trasformazione dell'acqua in ghiaccio).
La Formula Termodinamica
La formula utilizzata è la seguente:
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Q = ( Cs x ∆T 1 ) + L + ( Cg x ∆T 2 )
dove:
- Cs, il calore specifico (o calore di massa) al di sopra del punto di surgelazione (kj/kg.°C o kcal/kg.°C).
- L, il calore latente di solidificazione in termini di massa (kcal/kg)
- Cg, il calore specifico sotto il punto di surgelazione (kcal/kg. °C)
- ∆T1 differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura iniziale e la temperatura di surgelazione del prodotto.
- ∆T2 differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura di surgelazione e la temperatura finale del prodotto.
Ognuno dei tre componenti che compongono l'alimento ha un calore specifico noto o approssimativo:
- Acqua Cs = 1,00 kcal/kg°C
- Materia grassa Cs = 0,50 kcal/kg°C
- Materia secca Cs = 0,35 kcal/kg°C
Per determinare il valore complessivo di Cs+ dell’alimento, è sufficiente sommare i calori specifici di ciascun componente del prodotto:
Cs+ = (1,00 x % Acqua) + (0,50 x % Materia grassa) + (0,35 x % Materia secca )
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Per i prodotti alimentari, vari fenomeni possono avere un impatto sulla quantità di energia richiesta durante la surgelazione. Tuttavia, verrà preso in considerazione solo il calore di solidificazione dell'acqua.
Esempio Pratico: Surgelazione di una Bistecca di Manzo Macinata
Metodo di calcolo per la surgelazione di una bistecca di manzo macinata con un contenuto di materia grassa del 15%. Il contenuto di acqua di una bistecca macinata è di circa il 66%. Nel nostro caso, il contenuto di grasso è del 15%. Possiamo quindi dedurre che la materia secca rappresenti il 19%. Ai fini di questo esempio (anche se non è realistico), ipotizzeremo una temperatura iniziale del prodotto di 20°C e una temperatura finale di -20°C. Verrà utilizzata una temperatura di surgelazione di 0°C.
Calcoli
Cs, calore specifico al di sopra del punto di surgelazione (kcal/kg. °C):
Il calore specifico della bistecca macinata al di sopra del punto di surgelazione è determinato dai calori specifici di ciascuno dei suoi componenti:
Cs = (1,00 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x0,19) = 0,80 kcal/kg°C
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L, calore latente in massa di solidificazione (kcal/kg) della bistecca con un contenuto d'acqua del 66%.
L = (80 x 0,66) = 52,8 kcal/kg
Cg, calore specifico sotto il punto di surgelazione (kcal/kg. °C):
Il calore specifico della bistecca macinata al di sotto del punto di surgelazione è determinato, ancora una volta, dai calori specifici di ciascuno dei suoi componenti:
Cg = (0,50 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x 0,19) = 0,47 kcal/kg°C
∆T1 differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura iniziale e la temperatura di surgelazione del prodotto.
∆T1 = (20 - 0) = 20°C
∆T2 differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura di surgelazione e la temperatura finale del prodotto.
∆T2= (0 - (-20°)) = 20°C
La formula impiegata ci dice che occorrono 78,2 kcal/kg per surgelare bistecche macinate con materia grassa al 15%.
Q = ( 0,80 x 20 ) + 52,8 + ( 0,47 x 20 ) = 78,2 kcal/kg
Confronto con i Dati Reali
La curva di misurazione realizzata sul prodotto fornisce i seguenti dati:
- A 20°C, l'entalpia misurata è pari a 17,03 kcal/kg
- A -20°C, l'entalpia misurata è pari a -56,53 kcal/kg
Questo significa un fabbisogno di raffreddamento di 73,56 kcal/kg per passare da 20°C a -20°C.
La differenza tra il fabbisogno effettivo e il calcolo teorico ottenuto dalla formula impiegata è dell'ordine del 5%, un valore accettabile per un approccio iniziale alla soluzione di surgelazione.
Calore Specifico di Alcuni Alimenti
Il calore specifico indica la quantità di calore che 1 kg di materiale deve acquistare per aumentare la sua temperatura di 1 °C. Il calore specifico dell’acqua vale 4,184 kJ/(kg ∙ °C).
Le sostanze presenti negli alimenti che possono fornire energia per la vita degli esseri umani sono i glucidi o carboidrati, i lipidi o grassi e i protidi o proteine. Molti alimenti contengono in diversa percentuale tutti questi principi nutritivi; alcuni invece, come l’olio d’oliva e lo zucchero, sono costituiti praticamente da un unico principio nutritivo.
Oggi sulla confezione di molti prodotti alimentari si possono leggere i valori delle quantità di lipidi, protidi e glucidi presenti nelle singole porzioni o in 100 g di alimento e il corrispondente valore energetico.
Per determinare sperimentalmente l’energia termica liberata da una reazione chimica si utilizzano apparecchiature chiamate calorimetri. Queste apparecchiature consentono di effettuare una reazione chimica in condizioni che simulano con buona approssimazione un sistema isolato.
È opportuno quindi conoscere ed esprimere il valore dell’energia prodotta in rapporto alla quantità di materia trasformata. Per questo motivo è stato definito il potere calorifico, cioè il calore sviluppato da 1 kg o da 1 m3 di combustibile.