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Utilização do Frio na Conservaçãode Alimentos
Leo Kunigk
Setembro de 2010
Objetivo do uso do frio na conservação de alimentos
Aumentar a vida de prateleira dos alimentos
Reduzindo:
Reações bioquímicas;
Reações químicas;
Taxa de respiração;Crescimento de microrganimsos;
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Reações bioquímicas
Escurecimento enzimático:
oxigênio do ar + substrato + enzima compostos escuros
(compostos fenólicos) (melanina)
Temperaturas < 7 °C controlam ação da polifenoloxidase mas não destrói enzima
Ação da polifenoloxidase
Cubos de batata
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Reações químicas
Oxidação de gorduras rancificação
0 20 40 60 80 100
86
88
90
92
94
96
98
100
102
C a r o t e n ó i d e t o t a i s ( µ g / g )
Tempo de estocagem (dias)
Redução do valor nutricional oxidação de vitaminas
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
20
40
60
80
100
A s c o r b a t o ( % d e r e t e n ç ã o )
Tempo decorrido após a colheita (dias)
AmbienteResfriado (4°C)Congelado
Ascorbato em espinafre carotenóide em polpa de pitanga
Taxa de respiração
calor O H CO O O H C ++→+ 2226126 666
Glicose:
calor O H CO O O H C ++→+ 222112212 111212Sacarose:
calor O H CO O O H C ++→+ 222564 343Ácidos málico:
Tecidos vivos respiram!
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Maior a temperatura de estocagem
116,132,517,4Uvas
394,783,653,4Pêssegos
406,395,265,0Pepinos
835,8278,6157,9Morangos406,395,265,0Melões
241,467,339,5Laranjas
394,783,653,4Damascos
650,0220,6137,0Couve-flor
394,7169,5104,5Cenouras
139,369,632,5Batatas
3102,31066,4557,2Alface
15,54,40,0
Temperatura (°C)Produto
maior a taxa de respiraçãomaior consumo de nutriente
maior a quantidade de etilieno liberadomais rápida é a senescência
Taxa de respiração
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0
50
100
150
200
250
300
350
Temperaturas recomendadas
maçãs : -1,0 - 4,0 °Calho : 0,0 °Cendív ias: 0,0 °Cbróco lis: 0,0 °Ccebola verde: 0,0 °Cespinafre: 0,0 °Calface: 0,0 °Ccogumelo: 0,0 °Cervilha: 0,0 °Cmilho verde: 0,0 °C
milho verde: 41 mg/kg.hervilhas: 40 mg/kg.h
espinafre: 21 mg/kg.hcogumelo: 36 mg/kg.h
alface: 18 mg/kg.h
Atividade respiratória (mg CO2.kg-1.h-1)
cebola verde: 25,4 mg/kg.h
brócolis: 20 mg/kg.h
endívia: 18 mg/kg.h
alho: 9 mg/kg.h
maçãs: 5 mg/kg.h
V i d a ú t i l ( d i a s )
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Perda de massa e Alteração de Textura
Ressecamento desnaturação das proteínas e rancificação
Enrrugamento
Queima pelo frio
1,05-8,0
0,85-10,0
0,7-12,0
0,55-15,0
0,4-20,0
0,3-25,0
0,2-30,0
Perda demassa (%)
Temperaturade estocagem
(°C)
Perdas de massa em carcaças deovelhas estocadas por quatrosemanas.
Perdas de massa com perda de turgidezde uvas estocadas a 3°C..
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Multiplicação de Microrganismos
Microrganismos classificados como:
Temperaturas de crescimento para os 4 grupos de microrganismos
-5 a 525 a 3030 a 35Psicrotróficos
-5 a 510 a 1515 a 20Psicrófilos
38 a 5055 a 8060 a 90Termófilos
5 a 1530 a 4535 a 50Mesófilos
Temperaturamínima (°C)
Temperaturaótima (°C)
Temperaturamáxima (°C)
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Crescimento de microrganismos
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Tempo de geração
Tabela 4 - Relação entre a temperatura e o tempo de geração de alguns microrganismos(Snyder, 1992).
10,040,038,036,035,0
15,054,0 minutos46,0 minutos37,032,2
42,0 minutos1,51,350,0 minutos26,72,33,02,11,321,1
10,0 horas6,04,22,315,6
SC13,39,2 horas4,610,0
SC66,7 horas (5°C)1,010,04,4
SCSC2,016,71,7
SCSC5,0 dias24,00,0
SCSCSC40,0 horas-2,7
Clostridium perfringens
Espécies deSalmonella
Listeria monocytogenes
BactériasdeterioradorasTemperatura
Tempo para população dobrar de tamanho
Contaminação bacteriana
1
8
100
2
64
101
3
512
102
4
4096
103
5
32768
104
0
1
100
Contagem
Bacteriana:
Tempo(horas)
7
2097152
106
6
105
262144
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Equacionando o crescimento microbiano
22nn.. XXoo
..
..
..
2.2.22.2.2XXoo
2.2.2.2. XXoo
2.2. XXoo
XXoo
PopulaPopulaççãoão
..
..
..
n.n.ΘΘgg
3.3.ΘΘgg
2.2.ΘΘgg
ΘΘgg
00TempoTempo
ΘT = n. ΘΘgg
ΘT
Θgn =
XXff = 2= 2nn.. XoXo
2lnlnln
2
⋅Θ
Θ+=
⋅=Θ
Θ
g
T o f
o f
X X
X X g
T
Influência da temperatura de estocagemno crescimento bacteriano em carne depescado.
Influência da temperatura de estocagemno crescimento bacteriano em leite
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50 °F10 °C
40 °F4,4 °C
32 °F0 °C
Efeito da temperatura sobre o crescimento bacteriano em carne de frango.
Exercícios
A vida de prateleira de uma salsicha é definida quando a população de Lactobacillus
atinge 106 UFC/g de produto. Nessa concentração a produção de limo é muito grande
e o produto perde o valor comercial. Sabendo que o tempo de geração de
Lactobacillus a 4 °C é de 20 horas, quanto tempo o produto pode se armazenado
nessa temperatura se a concentração inicial for de 102 UFC/g? Caso o tempo de
geração passe a ser 40 min, quanto tempo seria necessário para atingir a população
de 106 UFC/g de produto?
Staphylococcus aureus , uma bactéria que provoca intoxicação alimentar é
transmitida aos alimentos devido a uma manipulação inadequada. Seu tempo degeração é 30 minutos nas condições ideais de multiplicação. Supondo que a
contaminação inicial seja de 250 UFC/g e que o alimento encontra-se estocado na
temperatura ideal para a sua multiplicação, qual será a população final desse
microrganismo após doze horas?
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Iogurte com polpa de morango foi contaminado durante o seu processamento com
Escherichia coli , um microrganismo classificado como entérico pois habita o intestino deanimais de sangue quente e portanto apresenta uma temperatura ótima de
multiplicação ao redor de 36 °C. Nesta temperatura o tempo de geração gira em torno
de 20 minutos. Como iogurte não corresponde ao seu habitat natural e além disso, ele
será estocado a 10 °C, essa bactéria deve, antes de atingir a fase de crescimento
exponencial, se adaptar às novas condições impostas ou seja, existirá uma fase lag de
6 horas. Qual o tempo necessário para que o leite atinja uma população de 104 UFC/g
sabendo que na temperatura de estocagem o tempo de geração é igual a 11 horas e a
população inicial era de 250 UFC/mL?
Admita agora que esse produto permaneça a 36 °C, qual será o tempo no qual esse
produto atinge a população de 104 UFC/g.
Estados Unidos da América do Norte, 1998-99
Extensão : 101 pessoas doentes21 mortes
Alimento causador : salsicha para cachorro quente
Microrganismo : Listeria monocytogenes
Causa : contaminação cruzada proveniente do sistema de ar condicionado
Conseqüências : ● 7,7.106 kg de salsichas retirados do mercado● custo do recall: US$ 76.106
● US$ 2.105 em multas
● doação de US$ 3.106 para pesquisaem segurança alimentar
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Tempo e Temperatura de Estocagem
Quanto tempo um produto pode ser estocado a baixas temperaturas?
Alimento estrutura biológica complexa
Reações bioquímicas
Reações químicasVelocidades são reduzidas
Crescimento de microrganismos < -10°C param de se multiplicar
- Composição afeta processo de deterioração
Gorduras insaturadas deterioram mais rapidamente
- Área específica (cm2 /g) maior mais rápida é a decomposição
Relação tempo e temperatura para detectardeterioração de carnes.
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Definir melhor relação tempo-temperatura de estocagem
Conceito:High Quality Life (HQL) ou Tempo de Alta Qualidade (TAQ)
Tempo para detectar a primeira alteração por degustadores experimentados
TAQ é função da temperatura
Varia consideravelmente ao longo da cadeia de
produção, distribuição e comercialização
Atenção!
Mudanças que ocorrem durante estocagem são acumulativas e irreversíveis
Deve-se garantir que:
0,1<TAQ
estocagem de total tempo
∑ <
n t
t t TAQ
estocagem de tempo
1
0,1
Caso alimento seja estocado nas temperaturas 10, -25, -15 e 8 °C tem-se:
∑ <+++=
°
°
°−
°−
°−
°−
°
°n t
t C
C
C
C
C
C
C
C
t TAQ TAQ TAQ TAQ TAQ
estocagem de tempo
1
0,18
8
15
15
25
25
10
10 τ τ τ τ
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Tempo de Alta Qualidade – Temperatura de Estocagem
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -50,1
1
10
100
1000
T e m p o d e A l t a Q u a l i d a d e p a r a b i f e b o v i n o
( d i a s )
Temperatura de estocagem (°C)
Usado para determinar variação de temperatura para reduzir 90% do TAQ
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -50,1
1
10
100
1000
T e m p o d e A l t a Q u a l i d a d e p a r a b i f e b o v i n o
( d i a s )
Temperatura de estocag em (°C)
)()(
TAQ c dt
TAQ d ⋅−=
)(303,2
log 122
1 t t c
TAQ
TAQ −⋅=
)(ln
)(
12
1
2
2
1
2
1
t t c TAQ
TAQ
dt c TAQ
TAQ d t
t
TAQ
TAQ
−⋅−=
∫ ⋅−=∫
reta da angular e coeficient c
=
303,2
TAQ
temperatura
Log100
Log10
t1 t2
z
z t t
c 110log100log303,2 12
=−
−=
z
t t
TAQ TAQ
z
t t
TAQ
TAQ
12
10
)(log
21
12
2
1
−
⋅=
−=
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Exemplo:
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 00,1
1
10
100
1000
T e m p o d e A l t a Q u a l i d a d e p a r a b i f e b o v i n o
( d i a s )
Temperatura de estocagem (°C)
-22,6°C -14,7°C
Z = 7,9°C
A partir da figura ao lado, determinar
o TAQ para as temperaturas -12,0 e0,0 °C sabendo que a -20,0 °C o TQAé igual a 60 dias.
Solução:
1º) Determinar o valor de z.
2º) Calcular os valores de TAQpara -20,0 e 0,0 °C.
dias TAQ TAQ
se tem C para
8,51060
:0,12
9,7)12(20
1 ==⋅=
−°−
−−−
dias TAQ TAQ
se tem C para
18,01060
:0,0
9,7)0,0(20
1 ==⋅=
−°
−−
Exercício
Utilizando a tabela 10, determinar o tempo de estocagem de alta qualidade parapescado magro estocado em balde de gelo. Admitir que para um determinadoatributo de qualidade o valor de z = 5 °C.
Tabela 10 – Tempo de estocagem (dias) para que ocorra uma alteração perceptívelna qualidade de alguns pescados estocados a -18°C.
120-18060-180Lagosta cozida, ostras ou caranguejo
180-24090-120Camarão, vieira
210-30090-120Pescado magro
120-18060-90Pescado gordo (salmão, truta, sardinha)
SignificanteLeve
Dias para detectar alteraçãoProduto
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TQA para -18 °C 90 – 120 dias
TAQ0°C = TAQ-18°C . 10
t2 – t1z
TAQ0°C = 100 . 10
-18 – 05
TAQ0°C = 0,025 dias ou 0,6 horas
Solução
Exercício
Utilizando a tabela 9, determinar o tempo o valor de z para cor de ervilha e em
seguida determinar o valor do TAQ para uma temperatura de 0,0°C.
Tabela 9 – Tempo de estocagem (dias) para que ocorra uma alteração perceptívelna qualidade de alguns vegetais.
1748763145-4
30820201362711-7
9428607061189048-12
29610115035029158305202-18
SaborCorSaborCorSaborCorSaborCor
VagemEspinafreCouve-florErvilhaTemperatura
(°C)
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Solução
1º) determinar equação que representa TAQ em função da temperatura:
2º) coeficiente linear =
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2
10
100
Log Cor = 0,245 - 0,116.T
T A Q ( d i a s )
Temperatura (°C)
-15,2 -6,6
z = -6,6 – (-15,2)
z = 8,6°C
1z
1z
= 0,116 → z = = 8,6°C ou então1
0,116
Assim:
TQA para 0,0 °C
TAQ0°C = TAQ-18°C . 10
t2 – t1z
TAQ0°C = 202 . 10
-18 – 08,6
TAQ0°C
= 1,63 dias ou 39 horas
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Do ponto de vista comercial
Tempo Prático de Estocagem (TPE)
produto adequado para o consumo
-26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6100
200
300
400
500
T e m p
o P r á t i c o d e E s t o c a g e m
( d i a s )
Temperaura de estocagem (°C)
TPE de carne bovina moída e embaladaem filme de PEBD.
Determinar perdas dequalidade durante a
vida de prateleira.
Exemplo
Determinar a perda total de qualidade de carne moída.
Tabela 13 – Cálculo da redução da vida de prateleira ao longo da vida de carne moídaembalada em filmes de PEBD (Robertson, 1992).
Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20-12
Gôndola supermercadoprateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
16
40
2
190
1
30
1
206
50
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Tabela 13 – Cálculo da redução da vida de prateleira ao longo da vida de carne moídaembalada em filmes de PEBD (Robertson, 1992).
Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20-12
Gôndola supermercadoprateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
16
40
2
190
1
30
1
206
50
Obter dados dafigura 16
Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20-12
Gôndola supermercadoprateleira superior
prateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
16
40
2
190
1
30
1
206
50
420
350
480
300
420
230
350180
120
300
Dados obtidosda figura 16
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Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20-12
Gôndola supermercadoprateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
1
6
40
2
190
1
30
1
206
50
420
350
480
300
420
230
350180
120
300
Dados obtidosda figura 16
238,0420100
==diária Perda
Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20
-12
Gôndola supermercado
prateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
16
40
2
190
1
30
1
20
6
50
420
350
480
300
420
230
350
180
120
300
0,238
0,286
0,206
0,333
0,238
0,435
0,286
0,556
0,833
0,333
Dados obtidosda figura 16
TPE diária Perda
100=
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Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20-12
Gôndola supermercadoprateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
1
6
40
2
190
1
30
1
206
50
420
350
480
300
420
230
350180
120
300
0,238
0,286
0,206
0,333
0,238
0,435
0,2860,556
0,833
0,333
Dados obtidosda figura 16
TPE diária Perda
100=
Perda = 0,238 . 40
Tabela 13 – Cálculo da redução da vida de prateleira ao longo da vida de carne moídaembalada em filmes de PEBD (Robertson, 1992).
Perda total de qualidade =340 diasTempo total de estocagem:
dias
-18Freezer doméstico
-8Transporte
-20-12
Gôndola supermercadoprateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-23Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-23Processador
Perda(%)
Perdadiária
(%/dia)
TPE(dias)
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)Etapa da cadeia de
distribuição
16
40
2
190
1
30
1
206
50
420
350
480
300
420
230
350180
120
300
0,238
0,286
0,206
0,333
0,238
0,435
0,2860,556
0,833
0,333
9,5
0,6
39,9
0,3
7,2
0,2
5,83,4
0,1
16,5
83,6%
Sobram ainda 16,4% da qualidade total.
Estocando-a a -18°C tem-se ainda: 16,4% . 300 dias100%
= 49 dias de estocagem
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A partir da tabela1 abaixo determinar o TPE para morangos congelados conhecendoas temperaturas em cada uma das etapas da cadeia produtiva e de distribuiçãoapresentadas na tabela 2.
8585--1010
44--11
1717--55
400400--1515
10901090--1818
20502050--2020
40004000--2222
1100011000--2525
TPE*TPE*(dias)(dias)
TemperaturaTemperaturade estocagemde estocagem
((°°C)C)
* Valores estimados a partirde dados da literatura.
Tabela 1
300 diasTempo total de estocagem:
dias
-10Freezer doméstico
-8Transporte
-20-15
Gôndola supermercadoprateleira superiorprateleira inferior
-15Transporte
-22Distribuidor
-18Transporte
-25Estocagem
-20Transporte
-18Produtor
Tempo deestocagem
(dias)
Temperaturamédia (°C)
Etapa da cadeia dedistribuição
1
12
120
1
200
1
100
1
3012
60
Tabela 2 – Tempo e temperatura na cadeia de distribuição.
Processo de Congelamento
T e m p e r a t u r a
Temperatura de
congelamento
Tempo
Resfriamento
rápido
Congelamento
Mudança de fase
A
B
C
Super-resfriamento
DE
Pré-resfriamento
Curva de congelamento da água
Remoção de calor sensível
Remoção de
calor latente
Remoção decalor sensível
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Alimentos congelam entre -1 e -5 °C
Curvas de congelamento
Congelamento de atum
Congelamento de carcaças de ovelha
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Congelamento de carne bovinaCongelamento de massa de pão
Congelamento rápido para evitar danos ao tecido
Passar rapidamente pela zona de formação de gelo
Muitos cristais com pequenas dimensões
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Congelamento a -18°C de hambúrgueres
7 minutos 3 horas
Alimento solução com diversos compostos
Pontos de congelamentodiferentes
Tabela 17 – Temperaturas de congelamento para vários alimentos
-0,7292,9Polpa de tomate
-0,8989,3Morangos
-0,5690,2Espinafre
-1,6183,8Ervilhas
-1,5685,1Pêssegos
-1,1789,0Suco de laranja-1,7884,7Suco de uva
-1,1187,5Cenouras
-0,6792,6Aspargos
-11,3349,8Suco de maçã concentrado
-1,4487,2Suco de maçã
Temperatura inicialde congelamento
(°C)
Conteúdo de água(% mássica)Alimento
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Quantidade de água também afeta o ponto de congelamento
Tabela 18 – Temperatura inicial de congelamento paradiversos tipos de carne em função da sua composição(Ochoa y Amézquita, 2006).
-1,8711,8Gordura suína
-0,90
-1,00-1,75
72,5
74,074,5
Suína
-2,6917,6Gordura bovina
-0,80-0,82-1,00-1,01-2,00-2,80
80,075,074,070,060,050,0
Bovina
Temperatura inicialde congelamento
(oC)
Umidade(%)
Tipo de carne
Quantidade de água congelada no alimento
- Função da temperatura
Tabela 16 – Porcentagem de água congelada em função da temperatura de estocagem (Heldman and Lund, 2007).
90898784765074,5Carne bovinamagra
90898884778080,3Pescado
--90--878018086,5Clara de ovos
80 a -40°C
----73656040,0Gema de ovos
9690867961075,8Ervilhas
9592898267085,1Pêssego sem
caroço
----95938435092,9Polpa de tomate
95--96898014089,3Morangos
9592888269085,5Cebolas
----928676087,5Cenouras
-30,0-20,0-16,0-10,0-5,0-1,00,0
Porcentagem de água congeladaTemperatura (°C)% total de
águaProduto
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- Função da composição / teor de água livre
em carne bovina fresca apenas 90% da água congela
10% da água ligada à proteína
Teor de água congelada em massa de pão.
~36%
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- Função da distância da superfície
Figura 24 – Variação da temperatura no interior deum bife em função do tempo (Rebellato et al 1987).
Figura 26 – Isotermaspara carne bovinaembalada em caixas
de papelão após 27horas de refrigeraçãoem câmara fria que seencontra a -25 oC comar a uma velocidadede 5,0 m/s (Lovett,1979).
Propriedades físicas de Alimentos
Calor específico
Condutividade térmica
Entalpia
Variam com a temperatura
Valores tabelados
Estimados utilizando:
Equações matemáticas
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Calor Específico
cp
⋅K kg
J
⋅ F lb
BTU o
⋅ C kg
kcal o
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 1201,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
C a l o r e s p e c í f i c o ( k J . k g
- 1 . ° C - 1 )
Temperatura (°C)
Figura 33 – Variação do calor específico daágua em função da temperatura.
Para a água:
Para alimentos:
composição
teor de água
Figura 34 – Calores específicos para sucosde laranja concentrados (Chen, 1979).
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Tabela 19 – Valores de calor específico para diversos alimentos antes e após o congelamento.
0.391.630.390.763.180.76Atun
0.411.720.410.823.430.82Truta
0.371.550.370.712.970.71Salmão
Pescado e frutos do mar
0.351.470.350.672.810.67Peru
0.361.510.360.692.890.69Salsicha
0.331.380.330.592.470.59Carne suína
0.441.840.440.652.720.65Frango
0.482.010.480.682.850.68Carcaça bovina
Carnes, produtos cárneos e ovos
0.451.880.450.953.980.95Tomates vermelhos
0.451.880.450.953.980.95Morangos
0.411.720.410.853.560.85Ervilhas frescas
0.261.090.260.391.630.39Ervilhas secas
0.431.80.430.893.730.89Suco de laranja
0.471.970.470.93.770.9Leite bovino
0.421.760.420.863.60.86Uvas
0.441.840.440.913.810.91Cenoura
0.41.670.40.83.350.8Bananas
0.421.760.420.873.640.87Maçãs
Produtos hortículas
(Kcal/kg o C)(KJ/kg o C)(Btu/lb o F)(Kcal/kg o C)(KJ/kg o C)(Btu/lb o F)
Calor específico após o congelamentoCalor específico antes do congelamento
Alimento
onde: Xc =fração de carboidrato, Xp = fração de proteína, Xf = fração de gordura, Xa =fração de cinzas e Xm = fração de água
acima do ponto de congelamento:
Heldman and Singh:
onde: Xf = fração de gordura, Xs = fração de sólidos e Xm = fração de água
acima do ponto de congelamento:
Charm:
Equações mais genéricas
onde: Xm é a fração mássica de águaEssas equações, quando Xm = 1 fornecem os valores do cp para água
acima do ponto de congelamento:
Dickerson:
abaixo do ponto de congelamento:
acima do ponto de congelamento:
Siebel:
Alimentos com elevado teor de água
m a f p c X X X X X cp ⋅+⋅+⋅+⋅+⋅= 187,4837,0675,1549,1424,1
m s f X X X cp ⋅+⋅+⋅= 187,4256,1094,2
67,151,2 +⋅= m X cp
837,035,3 +⋅= m X cp
837,026,1 +⋅= m X cp
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Condutividade térmica
k
⋅⋅ K h m
kJ
⋅⋅ F h ft
BTU o
⋅⋅ C h m
kcal o
-20 -10 0 10 20 30
0,5
1,0
1,5
2,0
C
o n d u t i v i d a d e t é r m i c a
( W . m
- 1 . ° C
- 1 )
Temperatura (°C)
Figura 35 – Influência da temperatura sobrea condutividade térmica
Para água:
Tabela 20 – Valores de condutividades térmicas para alguns alimentosabaixo do ponto de congelamento.
⋅⋅ K h m
kJ
8,2068,541
-7-18
Gelo
3,308-13Vagem picada branqueada2,010-16Morango
1,800-16Ervilha branqueada
4,564-8Purê de cenoura
2,428-17Cenoura picada
1,382-7Brócolis
1,047-16Ameixa
Condutividade tCondutividade téérmicarmicaTemperatura
(°C)Produto
Para alimentos:
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para carnes:
abaixo do ponto de congelamento:
acima do ponto de congelamento
Earle:
para T = -40 a -50°C
abaixo do ponto de congelamento:
para T = 0 – 60°C e Xm = 0,6 – 0,8
alimentos com alto teor de água:
acima do ponto de congelamento
Sweat:
onde Xm = fração de umidade e Xs = fração de sólidos no alimento.
m X k ⋅+= 517,00798,0
148,0493,0 +⋅= m X k
T X k m ⋅−⋅+= 00923,094,1284,0
s m X X k ⋅+⋅= 26,055,0
s m X X k ⋅+⋅= 26,04,2
Equações para o cálculo da condutividade térmica.
Entalpia
H
kg
kJ
lb
BTU
kg
kcal
Energia contida no corpo
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Figura 37 – Variação da entalpia paramassa de pão (Matuda et al, 2006)
Figura 38 – Variação da entalpia daágua e de carne bovina magra emfunção da temperatura (CSIRO, 1976).
Figura 39 – Entalpias calculadas para: 1- kiwi; 2- carnebovina magra; 3- peixe-cabra; 4- Tylose; 5- mussarela; 6-manteiga (Pham 2000).
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Figura 40 – Entalpias para sucosconcentrados de laranja (Chen, 1979).
173648781351601632,68Pão com farinhaintegral
173544671171341372,60Pão branco
194252721052853043,52Carne bovina magra
194152721012843183,60Perca
194253791182983233,69Pescado
18394865872103523,81Clara de ovos
19405068921821912,85Gema de ovos
235164951503433473,73Ervilhas
235064931463483523,77Pêssego sem caroço
204252711032663824,02Polpa de tomate
204454761143183673,94Morangos
19404966942243713,90Espinafre
235062911413493533,81Cebolas
18394764851943904,02Pepinos
214657811243573613,90Cenouras
-30,0-20,0-16,0-10,0-5,0-1,00,0
Temperatura (°C)cpcp antes doantes docongelamentocongelamento
Produto
⋅ C kg
kJ o
Tabela 21 – Entalpia de alguns alimentos em função da temperatura de estocagem (Heldmanand Lund, 2007).
173648781351601632,68Pão com farinhaintegral
173544671171341372,60Pão branco
194252721052853043,52Carne bovina magra
194152721012843183,60Perca
194253791182983233,69Pescado
18394865872103523,81Clara de ovos
19405068921821912,85Gema de ovos
235164951503433473,73Ervilhas
235064931463483523,77Pêssego sem caroço
204252711032663824,02Polpa de tomate
204454761143183673,94Morangos
19404966942243713,90Espinafre
235062911413493533,81Cebolas
18394764851943904,02Pepinos
214657811243573613,90Cenouras
-30,0-20,0-16,0-10,0-5,0-1,00,0
Temperatura (°C)cpcp antes doantes docongelamentocongelamento
Produto
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Modelo matemático para cálculo da entalpia abaixo do ponto de congelamento:
)(ln11
r
r r
T T C T
T B
T T AH −⋅+
⋅+
−⋅=
A, B e C parâmetros (tabela 23)
T = temperatura do alimento
Tr = temperatura de referência
Miki e Hayakawa
Modelo matemático para cálculo da entalpia:
( )( final to congelamen após to congelamen inicial antes T T cp T T cp H −⋅++−⋅= λ
onde:λ = calor latente de mudança de fase
⋅=kg
kJ X m água λ λ
Xm = fração mássica da água no alimento
λ = 335 kJ.kg-1
Exercício:
Morangos apresentam a seguinte composição média:
água, 89,6%
proteína, 0,6%
carboidratos, 8,8%
gordura, 1%
Estimar o calor específico (cP), a condutividade térmica (k) e a entalpia (H) nas temperaturas
de 0 e -20 oC utilizando os modelos matemáticos de Siebel, Dickerson, Charm e Heldman
para calcular o cp, as equações de Sweat e Earle para calcular k e as equações da entalpia.
Determinar o calor que precisa ser removido para que os morangos tenham sua temperatura
reduzida de 0 para -20 oC. No caso da equação de Miki e Hayakawa utilizar como
temperatura de referência -40 oC e então comparar com os valores tabelados.
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Carga Térmica
1ª Questão no dimensionamento de uma câmara fria
Quanto calor precisa ser removido para manter a temperatura constante?
2ª Questão no dimensionamento de uma câmara fria
De onde vem o calor que precisa ser removido paramanter a temperatura constante?
calor de atravessa as paredes, o teto e o piso (qp);
calor devido às trocas de ar (qar):- ventilação;- infiltração;
calor devido ao produto sendo resfriado (qprod):- calor sensível;- calor latente;- calor de respiração;
calor devido ao material de embalagem(qemb);
calor devido a ocupação dos trabalhadores (qt);
Fontes de calor:
calor devido a iluminação (qi);
calor devido a presença de motores (qm);
Q = qp + qar + qprod + qemb + qt +qi + qm
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Fluxo de calor que atravessa as paredes, teto e piso
q p = U.A. ∆T
qp
Arinterno
Arexternok1 k2 k3
x1 x2 x3onde:
o n
n
i h k
x
k
x
k
x
h U
1...
11
2
2
1
1+++++=
h = coeficiente de película
k = condutividade do material
x = espessura do material
Fator de insolação tabela 25
Fluxo de calor devido às trocas de ar
Ar frio é mais denso
Cargas de Trocas de Ar = carga de infiltração + carga de ventilação
Ar quente entra por cima e ar frio sai por baixo
abertura de portas
fendas
ventilação
Carga térmica por infiltração
Perdas de ar firo ocorrem devido à:
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Volume de ar introduzido em 24 horas é função:
do número de portas;
do tamanho das portas;
da localização das portas;
da freqüência das aberturas;
da duração das aberturas;
do volume interno;
da utilização da câmara:- médio- pesado (acrescentar 50%)
Conhecendo o volume de ar que entra
Deve-se conhecer as umidades relativas para determinar Entalpias
entalpia do ar internoentalpia do ar externo
Volume de ar que entra em 24 horas
( )i o ar h h q −⋅= υ
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Não conhecendo o volume de ar que entra
Volume de ar introduzido em 24 horas é função também:
do volume interno;
do tipo de uso da câmara - médio- pesado
)h (h câmara da volume trocas)de (nº q i o −⋅⋅=
A vazão de ar que entra também pode ser calculada por:
+
−⋅⋅⋅⋅
⋅⋅=
s
m
s
s h g h l 3
33
11
)1(23
2ν
onde:
l = largura da porta (m)
h = altura da porta (m)g = aceleração da gravidade (m/s2)
s = relação entre a densidade do ar quente e do ar frio
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Carga Térmica devido ao Produto
Calor removido do Produto
Calor devido à mudança de fase do produto
Quantidade de calor removido = f (∆T, massa e calor específico)
T c m q p ∆⋅⋅=
antes e após congelamento
λ m q ⋅=
durante o congelamento
ou
)( frio produto quente produto h h m q −⋅=
Produtos de origem vegetal ainda vivos respiram!
calor O H CO Respiração 2 2 ++→
f - tipo de produto
- temperatura do produto
24 q massa q respiração ⋅⋅=
tabelado
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Carga Mista
Pessoas:
⋅⋅
=
dia
J
dia
horas nº pessoas de número
h
J f q pessoas pessoas
Iluminação:
⋅
⋅
=
dia
J
dia
horas nº
h 1
s 3600 lâmpadas de nº
s
J dissipado)(calor q iluminação
Motores elétricos:
[ ]
⋅⋅⋅=
dia
J
dia
horas n
[h] 1
[s] 3600 kW potência f q motores motores
º
∑=
= dia
BTU ou
dia
kJ q Q
n
i i
1
⋅
∑= =
horas
kJ horas
dia por trabalha compressor o que horas de nº
q
Q
n
i i
24241
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Exercício
Determinar a carga térmica de uma câmara fria utilizada para armazenar 5000 kg
de morangos, 2000 kg de pêssegos e 7000 kg de cenouras na melhor
temperatura de estocagem sabendo que todos entram a 25 °C e encontram-seacondicionados em embalagens de polipropileno com capacidade de 1,0 kg de
produto e massa de 0,05 kg e um calor específico de 1,70 J/kg.K. As paredes e o
teto da câmara fria são construídas com placas de isojoint (k = 0,113 J/h.m.°C) de
espessura igual a 20,0 cm. O piso é feito com laje de concreto de espessura de
12,5 cm, placas de cortiça com espessuras também de 12,5 cm e acabamento de
concreto com 7,5 cm cuja condutância é igual a 1,10 J/m2.°C.h. A câmara fria
apresenta as seguintes dimensões: 15,0 x 5,0 x 3,0 m, esta última dimensão
representa o pé direito dela. A temperatura externa da câmara fria é 30,0 °C e a
temperatura abaixo do piso é 21,0 °C. A iluminação é feita com 5 lâmpadas de
vapor de mercúrio com intensidade luminosa de 250 lux cada e duas pessoas
trabalham no seu interior. Sabe-se ainda que a umidade relativa do ar é 50%.Após o resfriamento, os vegetais são congelados e estocados em uma câmara
fira a -25 °C. Calcular a carga térmica para congelar esses vegetais e depois
estocá-los.
Tempo de congelamento
Resfriamento antes do congelamento
Congelamento
Resfriamento após congelamento
Maior remoção ocorre durante o congelamento
Exemplo:
Reduzir a temperatura de 100 kg de carne (77% de água) de 20 para -18 °C.O fluxo de remoção de calor é 10 kW. Estimar os tempos de resfriamento,antes, depois e durante o congelamento.
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Estimativa do tempo de congelamento
Equação de Planck
Processos de:
- condução;
- convecção;
f
a f
k
x
h
T T Aq
+
−⋅=
1)(
velocidade de congelamento
dt
dx
mas:
f dt
dx Aq ρ λ ⋅⋅⋅=
massaprodutocongelado
placa plana infinita
Assim:
f
a f f
k
x
h
T T A
dt
dx A
+
−⋅=⋅⋅⋅
1)(
ρ λ
dx k
x
h T T dt
a
f a f
f
t f
⋅
+⋅
−
⋅= ∫ ∫
2
00
1)(
ρ λ
⋅+
⋅⋅
−
⋅=
f a f
f f
k
a
h
a
T T t
82)(
2 ρ λ
placa plana infinita
para outras geometrias
+
⋅⋅
−
⋅=
f a f
f f
k
a R
h
a P
T T t
2 / /
)( ρ λ
1/241/241/61/6EsferaEsfera
1/161/161/41/4CilindroCilindroinfinitoinfinito
1/81/81/21/2Placa planaPlaca planainfinitainfinita
RR´́PP´́GeometriaGeometria
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Estimar o tempo para que 100 kg de carne contendo 77% de água tenha suatemperatura reduzida de 20 °C para -18 °C. A temperatura inicial de congelamentoé igual a -1 °C e a densidade do produto congelado é 1100 . Assumir que o
formato dessa carne seja uma placa plana infinita com 10 cm de espessura e queela será congelada utilizando-se ar a uma temperatura de -40 °C e o coeficiente deconvecção desse processo é 60 W/m2.°C.
Proposta do International Institute of Refrigeration
∆H
.. )()( cong o após a f cong do antes f i cp T T cp T T H ⋅−++⋅−=∆ λ
onde:
Ti = temperatura inicial do alimento
Tf = temperatura de congelamento do alimento
Ta = temperatura final do alimento
λ = calor latente de mudança de fase
No caso do exercício anterior utilizar ∆H
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Metodologia de Pham
Mais precisa.
Corpos com formatos irregulares.
Corpos com dimensões finitas.
De fácil utilização
Hipóteses assumidas:
as condições do meio são constantes;
a temperatura inicial, Ti, é constante em todo o alimento;
o valor da temperatura final do alimento é conhecida;
utiliza-se uma temperatura média de congelamento, Tfm; a transferência de calor por convecção na superfície do corpo
é descrita pela lei de resfriamento proposta por Newton;
Temperatura média de congelamento, Tfm
a c fm T T T ⋅+⋅+= 105,0263,08,1
onde:Tc = temperatura central final do alimento
Ta = temperatura do meio de congelamento
alimentos comelevado teorde água
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Para estimar o tempo de congelamento:
+⋅
∆
∆+
∆
∆⋅
⋅= 21
2
2
1
1 Bi T H
T H
h E d t f
c
onde:dc = dimensão característica. Distância mais curta até o centro ou o
raio [m]h = coeficiente de transferência de calor por confecçãoEf = fator de forma
Ef = 1,0 para placa plana infinita;Ef = 2,0 para cilindro infinito eEf = 3,0 para esferas.
∆H1 = variação de entalpia volumetria para o período de resfriamento einício do congelamento, ou seja, entre as temperaturas Ti e Tfm
sendo calculada pela seguinte expressão:
onde:ρu = densidade do produto não congeladocpu = calor específico do material antes do congelamento
)(1 fm i u u T T cp H −⋅⋅=∆ ρ
∆H2
= variação de entalpia volumetria para o período de resfriamento einício do congelamento, ou seja, entre as temperaturas Ti e Tfm
sendo calculada pela seguinte expressão:
onde:ρf = densidade do produto não congeladocpf = calor específico do material antes do congelamentoλ = calor latente de mudança de fase
Bi = número de Biot
[ ])(2 c fm f f T T cp H −⋅+⋅=∆ λ ρ
a fm i T
T T T −
−=∆
21
( )a fm T T T −=∆ 2
k
d h Bi c ⋅
=
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ExercícioUm alimento com formato esférico é congelado em um túnel de ar. A
temperatura inicial do produto é 10 °C e o ar frio no interior da câmara friaencontra-se a -40 °C. O produto apresenta um diâmetro de 7,0 cm com umadensidade na temperatura de congelamento, ρf = 1000 kg/m3 e umatemperatura inicial de congelamento igual a -1,25 °C, uma condutividade apóso congelamento, kf, igual a 1,2 W/m.K e um calor latente de mudança de faseigual a 250,0 kJ/kg . Determine o tempo de congelamento sabendo que ocoeficiente de transferência de calor por convecção desse processo decongelamento é igual a 50,0 W/m2.K. Utilizar a equação de Planck e de Phampara depois comparar os resultados obtidos.
Para outras geometrias:
cilindro finito;
haste retangular finita
paralelepípedo
23121 E G E G G E f ⋅+⋅+=
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onde:
Parâmetros para o cálculo do fator de forma, E f ,.
111Paralelepípedo
011Haste retangular
102Cilindro finito com altura > diâmetro
021Cilindro finito com altura < diâmetro
G3G2G1Geometria
[ ]
77,11
34,1
77,11
1
5,21
11
11
32,2)2(32,2
73,01
−
−
⋅+⋅
⋅=
⋅−+=
β
β
β β
Bi X
onde
X X
E [ ]
77,12
34,1
77,12
2
5,22
22
22
32,2)2(32,2
73,01
−
−
⋅+⋅
⋅=
⋅−+=
β
β
β β
Bi X
onde
X X
E
dimensãomenor dimensãomenor2a
1 = β
dimensãomenordimensãomaior
2 = β
23121 E G E G G E f ⋅+⋅+=
Exercício
Carne bovina magra com 74,5% de água com 1,0 m de comprimento, 0,6 m de
largura e 0,25 m de espessura é congelada em um freezer com corrente de ar a
-30 °C e com um coeficiente de transferência de calor por convecção, h , igual a
30 W/m2.K. Se a temperatura inicial do produto é 5,0 °C, estimar o tempo
necessário para reduzir a temperatura do produto até -10 °C. A temperatura
inicial de congelamento dessa carne foi avaliada em -1,75 °C. A condutividade
térmica da carne congelada é igual a 1,5 W/m.K , o calor específico do produto
não congelado é igual a 3,5 kJ/kg.K e o calor específico do produto congelado é
igual a 1,8 kJ/kg.K. As densidades do produto tanto congelado como não
congelado valem 1050 kg/m3.
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Exercício:
Aspargos com diâmetro de 1,0 cm, comprimento de 20 cm, densidade igual a 1100kg/m3 e que se encontram a 30 °C, são congelados a -20 °C. Determine o tempo decongelamento utilizando a equação de Planck, a proposta pelo International Institute of Refrigeration (IIR) e aquela proposta por Pham sabendo que o coeficiente deconvecção desse processo vale 60 W/m2.°C. No caso da resolução pela equaçãode Pham admitir que a temperatura do meio de congelamento seja -30°C.
Outras metodologias para estimar o tempo de congelamento
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Figura 44 – Ábaco para determinar o tempo de congelamento de carne bovina em funçãoda altura da caixa de papelão, velocidade e temperatura do ar.
Tabela 35 – Fatores de correção para valores obtidos a partir da figura 44 para embalagens de papelão.
Adicionar 5%Adicionar 10%
4. Temperatura da carne congelada- centro da carne a -12 oC- centro da carne a -2 oC
Adicionar 10%Sem correçãoAdicionar 15%Adicionar 15%
Sem correção
3. Conteúdo da embalagem- Peças embrulhadas individualmente em filmes de polietileno
a) gordura distribuída aleatoriamenteb) gordura localizada próxima ao centro da embalagemc) gordura localizada na periferia da embalagem
- Fígados embrulhados individualmente em filmes de polietileno e congela-dos imediatamente após a sua remoção do animal.
- Grandes pedaços de carcaça incluindo aqueles grandes pedaços decarne com gordura externa na faixa de 15 a 25%
Adicionar 15%Reduzir 15% do valorobtido para papelãocorrugado
2. Tipo de papelão- Papelão sólido- Papelão tipo E-flute
Adicionar 10%Sem correçãoAdicionar 15%*Adicionar 10%*
Adicionar 5%
1. Restrição ao fluxo de ar- Embalagens apoiadas em prateleira metálicas lisas- Embalagens apoiadas sobre prateleiras corrugadas- Embalagens encostadas uma nas outra no lado mais longo- Embalagens tem os lados longos adjacentes, mas afastados em cerca de15 mm.- Embalagens encostadas uma nas outras no lado mais curto
CorreçãoFator
* correções menores podem ser feitas para embalagens próximas às saídas de ar frio.
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Figura 46 – Ábaco para estimar tempo de congelamento de car-caças de ovelhas.
1
23
4
5
1
2
3
4
5
Figura 47 – Relação entre tempo e temperatura de congelamento em função datemperatura inicial de 100 kg de carne bovina, da velocidade e da temperatura do arno interior da câmara fria