Characterization of electromagnetic freezing in food matrixes and model food

Los desafios La congelacion consiste basicamente en reducir la temperatura de los alimentos por debajo del punto de congelacion del agua de tal manera que el agua congelable cambie de estado, evitando asi el crecimiento de microorganismos y ralentizando las reacciones quimicas y enzimaticas que causan el deterioro de los alimentos. Los metodos tradicionales se basan en aumentar la tasa de retirada de calor. Recientemente se han propuesto nuevos metodos que intentan controlar la nucleacion, siendo uno de los mas relevantes la congelacion con campo magnetico (CM). Se basa en la aplicacion de un CM junto con la refrigeracion. Segun algunos autores, esos campos aumentarian el grado de subenfriamiento. Se sabe que cuanto mayor sea el grado de subenfriamiento, mas pequenos y mejor distribuidos seran los cristales de hielo. Si se demostrase el supuesto efecto del CM, ello implicaria un gran avance en la tecnologia de congelacion. Estado de la tecnica El congelador comercial con CM mas conocido aplica CMs estaticos y oscilantes durante la congelacion. Ademas, se han publicado varias patentes que presentan metodos y equipos de congelacion con CM, asi como trabajos que aplican prototipos de laboratorio o congeladores con CM comerciales a diferentes materiales congelables, a saber, agua, sustancias modelo de alimento y a alimentos dentro del campo de Tecnologia de Alimentos; y a celulas, tejidos, organos y organismos. Objetivos Los objetivos de esta tesis son: - Estudiar el desarrollo del proceso de congelacion electromagnetica en sustancias modelo que permitan respaldar las hipotesis en las que se basan las mejoras previstas. - Estudiar el efecto de la congelacion electromagnetica en la calidad de diferentes alimentos. - Obtener prototipos generadores de campos electromagneticos adecuados para congelacion electromagnetica y otras aplicaciones. Nuestro enfoque Ademas de usar congeladores con CM de laboratorio y comerciales, se construyeron dos nuevos prototipos de laboratorio. El mas importante fue un inversor electronico para trabajar a varias frecuencias desde 1 Hz hasta 50 kHz. Este inversor suministra la corriente sinusoidal requerida a dos solenoides diferentes (uno adecuado para bajas y otro para altas frecuencias) tambien producidos, en donde se ubican las muestras durante la congelacion. Se persiguio la obtencion de una corriente suficientemente sinusoidal para discriminar el efecto que las diferentes frecuencias podrian tener sobre la congelacion con CM. Por lo tanto, se dedico un interes especial a minimizar los armonicos de las corrientes de salida. Se han desarrollado modelos de metodos de elementos finitos para obtener una vision precisa de la distribucion 3D del gradiente de la intensidad y lineas de CM dentro de los dispositivos. Se ha evaluado la influencia de la congelacion asistida por CM llevada a cabo en congeladores comerciales sobre la calidad de cerdo y palitos de cangrejo. Analogamente, en los prototipos de laboratorio, se han llevado a cabo estudios exhaustivos sobre el efecto de los CMs en la congelacion de agua pura, disoluciones acuosas, dispersiones de nanoparticulas magneticas, enzimas y musculo de pescado que albergando parasitos vivos. Resultados Al contrario de lo que se ha informado en algunos articulos, pocos efectos relevantes de la congelacion con CM se pueden apoyar en los resultados experimentales desarrollados. Asi, ninguno de los parametros extraidos de las curvas de congelacion del modelo de alimento; propiedades que afectan la velocidad de transmision de calor como la conductividad termica del hielo; ni variables de calidad como la capacidad de retencion de agua, las perdidas por goteo y el color de los alimentos mostraron diferencias en la mayoria de los casos cuando se compararon la congelacion con CM y la convencional. Sin embargo, se ha observado un incremento en la tasa de preenfriamiento de la dispersion de nanoparticulas cuando se emplea un CM oscilante. Contribuciones originales Se ha demostrado que una gama de intensidades y frecuencias de CM no tiene un efecto positivo en la congelacion de alimentos y modelos de alimentos. Un hallazgo interesante de este trabajo es la mejora de la velocidad de enfriamiento de las dispersiones de nanoparticulas magneticas. Este hecho podria ser utilizado para usos medicos. Se han disenado y construido varios prototipos para la aplicacion de CMs estaticos y sinusoidales a frecuencias particulares, y se han llevado a cabo modelos de todos los dispositivos de congelacion con CMs utilizados. ----------ABSTRACT---------- The challenges Freezing basically consists in reducing the temperature of foodstuffs below the freezing point of water in such a fashion that freezable water changes of state, avoiding that way the growth of microorganisms and decelerating chemical and enzymatic reactions that cause food spoilage. Traditional methods are based on enhancing the heat removal rate. Recently new methods trying to control nucleation has been proposed, one of the more relevant ones being magnetic field (MF) freezing. It is based on the application of a determined MF along with cooling. According with some authors, those fields would increase supercooling degree. It is known that the higher the supercooling degree, the smaller and better distributed the ice crystals. If the effect of MF were proved, it would imply a great advance in freezing technology. State‐of‐the‐art The most renowned commercial MF freezer applies static and oscillating MFs during freezing. Besides, several patents presenting MF freezing methods and equipment have been published, as well as papers applying either laboratory prototypes or commercial MF freezers to different freezable materials, namely water and model food substances and foods within the field of Food Technology; and cells, tissues, organs and organisms. Objectives The objectives of this thesis are: - Studying the development of the electromagnetic freezing process in model substances which allow supporting the hypotheses on which the envisaged improvements are based. - Studying the effect of electromagnetic freezing on the quality of different foods. - Obtaining electromagnetic field generator prototypes suitable for electromagnetic freezing and other applications. Our approach In addition to using laboratory and commercial MF freezers, two new laboratory prototypes were built. The most important one was an electronic inverter for working at various frequencies from 1 Hz to 50 kHz. This inverter supplies the required sinusoidal current to two different solenoids (one proper for low and other for high frequencies) also produced, wherein samples are located during freezing. The obtainment of a sufficiently sinusoidal current in order to discriminate the effect that different frequencies could have on MF freezing was pursued. So an especial interest was devoted for minimizing the harmonics of the output currents. Finite element method models have been developed to get an accurate insight into the 3D gradient distribution of MF strength and line directions inside the devices. The influence of MF assisted freezing carried out in commercial freezers on the quality of pork and crab sticks was evaluated. Analogously, in the laboratory prototypes, comprehensive studies on the effect of MFs on the freezing of pure water, aqueous solutions, magnetic nanoparticle dispersions, enzymes and fish muscle lodging living parasites were carried out. Results On the contrary to what has been reported in some papers, not many relevant effects of MF freezing can be supported from the developed experimental results. Thus, either parameters extracted from the freezing curves of model food; properties affecting the heat transmission rate like ice thermal conductivity; or quality variables like water holding capacity, drip losses and color of food showed no differences in most cases when MF and conventional freezing were compared. However an interesting increment in the precooling rate was observed in the nanoparticle dispersion when oscillating MF was employed. Original contributions A range of MF strengths and frequencies have been proved not to have positive effect on the freezing of food and model foods. An interesting finding of this work is the improvement of the cooling rate of magnetic nanoparticle dispersions. This fact could be used for medical uses. Several prototypes for the application of static and sinusoidal MFs at particular frequencies have been designed and built, and modeling of every used MF freezing devices has been carried out.