BROMATOLOGIA

EL AGUA EN SISTEMAS ALIMENTICIOS

ING. LUIS ARTICA

LUIS ARTICA M. 2008

EL AGUA

Juega un Rol importante en la velocidad con que se deterioran

los alimentos

PRESERVACIÓN DE ALIMENTOS

- Sirve para mejorar procesos- Diseñar nuevos productos- Predecir la estabilidad de alimentos- Predecir la estabilidad microbiológica de alimentos

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EL AGUA EN ALIMENTOS

- Sustancia abundante en la naturaleza, esencial para los procesos de los seres vivos debido a las diversas funciones que desempeña.

- Componente mayoritario en los sistemas alimenticios

- Contribuye en forma determinante; la textura, apariencia, sabor.- Factor importante en el deterioro de alimentosLUIS ARTICA M. 2008

Presenta los tres estados de la materia Representa el 70 al 90% del peso de los

sistemas biológicos Las principales funciones biológicas

(transporte, disolución, solución) Sustancia de gran reactividad Cantidad, localización y orientación Su eliminación o inmovilización Interacciones con proteínas, carbohidratos,

lípidos, sales etc.

Propiedades Generales

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ALIMENTOS AGUA

Carne de cerdo 53-60

Carne de vacuno 50-70

Carne de pollo 74

Carne de pescado 65-81

Peras 80-85

Manzana 85-90

Melocotones 85-90

Naranjas 85-90

Fresas 90-95

Tomates 90-95

Paltas 74-80

Plátanos 74-80

Arvejas 74-80

Zanahorias 80-90

Espárragos 90-95

Coliflor 90-95

Lechugas 90-95

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- Formado por dos moléculas de H y una de oxígeno

Estructura del agua

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- Los seis electrones de valencia del oxígeno están hibridados en la molécula del agua en los cuatro orbitales sp3.

Estructura del agua

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- Carga total neutra ( igual Nº de protones y electrones)

- Distribución asimétrica de electrones:POLAR

105°

0.096 nm

Estructura del aguaEstructura del agua

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- Alrededor del Oxigeno = densidad de carga negativa

- Alrededor de hidrógeno = densidad de carga positiva

Estructura del agua

DIPOLO

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- Interacciones dipolo – dipolo

Estructura del agua

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a. ACCION DISOLVENTE

- Disolvente universal (puentes de hidrógeno

Propiedades del agua

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- Los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua quedando atrapados y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.

Propiedades del agua

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b. Elevada fuerza de cohesión

- Los puentes de hidrógeno mantienen las

moléculas de agua fuertemente unidas,

formando un estructura compacta que lo

convierte en un líquido casi incompresible.

Propiedades del agua

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c. Elevada fuerza de Adhesión

- Responsable del fenómeno de CAPILARIDAD

Presión que ejerce la columna de agua = presión capilar

Propiedades del agua

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e. Gran calor específico

- Responsable: puentes de H.

- El agua pude absorber grandes cantidades

de calor que utiliza para romper los p. De H.

Por lo que la temperatura se eleva muy

lentamente.

Propiedades del agua

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e. Elevado calor de vaporización:

- Paso de fase líquida a gaseosa mediante

dotación de energía cinética

- Para evaporar un gramo de agua se

necesita 540 cal. a 20°C

 

Propiedades del agua

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LIQUIDO CALOR DE VAPORIZACIÓN ( cal /g )

Agua 540

Metanol 263

Etanol 204

Acetona 125

Benceno 94

Cloroforma 59

 

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- Soporte: o medio donde ocurren las reaccionen metabólicas

- Amortiguador térmico- Transporte de sustancias- Lubricante: amortiguadora del roce entre

órganos- Favorece la circulación y turgencia- Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos- Puede intervenir como reactivo en

reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.

Funciones del agua

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El agua tiene la capacidad de disociarse:- agua molecular (H2O)- Protones hidratados (H3O)- Iones Hidroxilo (OH)

Ionización del agua

Disociación del agua

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1. Osmosis y Presión Osmótica

- Paso de disolvente de un medio de mayor

concentración de solutos a otro de menor a

través de una membrana semipermeable.

OSMOSIS

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2. La difusión y la diálisis

Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis , estos otros dos: La diálisis. En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida. Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración renal deteriorada. La difusiónsería el fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana si es lo suficientemente permeable

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- No está uniformemente distribuida

- Citoplasma hay proteínas (equilibrio)

- Diferentes estados energéticos y de comportamiento fisicoquímico (no todo el agua de un producto tiene las mismas propiedades: diversas t° de congelación)

INTERACCION FISICA = absorbida

INTERACCION QUMICA = adsorbida

DISTRIBUCION DEL AGUA EN LOS ALIMENTOS

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1. Agua de la Monocapa: se encuentra interaccionando en los sitios activos de los componentes biológicos, mediante puentes de H.

C = O ---- H N - H ---- O - H

O H

H

División:

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2. Agua de la Multicapa: Es el agua que se encuentra próxima al agua de la monocapa en forma de multicapas.

C = O ---- H O H H H O O H H

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3. Agua de los Capilares: El agua se encuentra en el interior de los micro capilares de la partícula de los alimentos.

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Isotermas de SorcionModelos Matemáticos de

GAT y BET

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Introducción

El valor de la cantidad de agua en un alimento no es suficiente para conocer la alterabilidad de ese alimento. Hay alimentos que con una gran cantidad de agua no se alteran y otros que con menos sí. Para intentar prever esto surge el concepto de la actividad de agua. (aw).  

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La Cantidad de agua en un alimento en relación a la humedad relativa que lo rodea pueden ser graficados y/o representados por una curva denominada Isoterma de Sorcion los que son predecidos a base de Modelos y/o Ecuaciones Teóricas como la Isoterma de BET y GAT

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aw= presión de vapor del agua del alimento / presión de vapor del agua pura (=1). 

Donde : P será 0 como mínimo (alimentos sin agua) o 1 como máximo.

Po

Paw

La actividad de agua es :

Actividad de Agua

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Donde: n1 son los moles de

solvente (agua) n2 son los moles de

soluto.

La actividad de agua se puede expresar en función de la fracción molar: 

21

1

nn

naw

Aw

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Aw

La actividad de agua también se relaciona con la humedad relativa en el equilibrio (HRE) que es la humedad de la atmósfera que rodea al agua. Si cerramos un alimento en cámara hermética, la atmósfera que lo rodea tendrá tras un tiempo la misma humedad que el alimento.

  %

100

HREaw

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Aw

El valor nos indicará la cantidad de agua disponible en el alimento para que se den las reacciones de degradación en el alimento.

H2O

Reacciones de

Degradacion

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AW

El valor de actividad de agua es dependiente de la temperatura.

Siempre supondremos como valor estándar un valor de 25ºC.

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Aw

Por debajo de 0 ºC la disminución de la actividad de agua es mucho más drástica. Los alimentos que se someten a congelación van a tener la misma actividad de agua indiferentemente de la composición del alimento. Hay algunos alimentos en los que la actividad de agua es tan baja que no varia al congelarlos porque no puede bajar más

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Importancia de la Actividad de Agua

Brenann, Butters, Cowell y Lilley (1998) El agua juega un papel importante en la estabilidad de los alimentos Frescos, congelados y desecados; actúa como disolvente en las reacciones químicas ,enzimáticos y microbiológicas.

Lewis (1993)Es una unidad de medida de la disponibilidad del agua para participar en tales reacciones (Lewis,1993)

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Métodos Para Determinar la Actividad de Agua (aw)

  1.- Manómetro en cámara cerrada: Se

espera un tiempo de equilibrio y se mide la presión con el manómetro.

2.- Higrómetro: Mediante el mismo procedimiento anterior pero en lugar de medir la presión mediremos la HRE.

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3.- Método gravimetrito: Se basa en la utilización de

sales de referencia y mide la humedad cuando se encuentran encerrados en una cámara. Sabemos por ejemplo:

El MgCl2 en una cámara tiene una humedad relativa de 0.328

El NaCl de 0.75, Pasamos el alimento que perderá agua.

Muestra Analizada

Solución Saturada

Campana Desecadora

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Isotermas de Sorción  Definición: Las isotermas de Sorcion

expresan la cantidad de agua de un alimento en función de la humedad relativa de la atmósfera que lo rodea. Gráfica 1.

10

Contenido en agua del alimento. Kg agua/Kg de mat seca.

aw

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Isoterma de Sorcion Fennema (1997) son representaciones que

interrelacionan el contenido de agua (expresado en masa de agua por unidad de masa de materia seca) de un alimento con su Aw a temperatura constante.

la información que puede derivarse de dicha representación es útil en los procesos de concentración y deshidratación, porque la facilidad o dificultad para eliminar el agua esta relacionada con la actividad de agua , y para evaluar su estabilidad en los alimentos.

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Isoterma de Sorcion

Es la representación grafica o analítica de valores de Aw en función al contenido de humedad, representada por una curva sigmoidea y estas pueden ser predecidas en base a ecuaciones teóricas.

En función al contenido de humedad o de equilibrio puede obtenerse de 2 vías

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1.- Isoterma de adsorcion.- Se da cuando se somete un alimento seco a cámaras (desecadores) en las cuales el producto gana humedad.(se mide el peso ganado)

Alimento Seco

Cámara con solución Saturada donde la ºT es Kte.

Alimento Seco + Agua Ganada del

Medio

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2.- Isoterma de desorcion.- Se cuando se somete un alimento fresco a cámaras (desecadores) en las cuales el producto pierde humedad (me mide la disminución de peso)

Alimento Seco

Cámara con solución Saturada donde la ºT es Kte.

Alimento Fresco - Agua perdida hacia

el Medio

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Grafica de Isoterma de Adsorcion y Desorcion

aw

0.2 0.6 10

Contenido en agua del alimento. Kg agua/Kg de mat seca.

0.8

Adsorcion

Desorcion

El grafico presenta la forma sigmoidea se puede apreciar la ganancia y perdida de agua.

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Factores que influyen en las isotermas

  Son dependientes de la temperatura.

Sabremos el contenido en humedad del alimento en función de la humedad relativa y la temperatura a la que lo almacenemos. A la misma humedad relativa cuanto mayor es la temperatura menor será el contenido en agua. Y con contenidos en agua iguales, a mayor temperatura, mayor actividad de agua.

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La composición del alimentos también influye (grasa, sales etc) también la estructura del alimento. La sal por ejemplo interacciona con el agua lo que modificara la actividad de agua.

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Fenómeno de Histéresis

Cuando se trazan las isotermas de adsorción y desorción y no hay superposición hablamos de un fenómeno de histéresis. se suele desplazar hacia la derecha la de adsorción. Es decir, para una misma humedad relativa el contenido de agua será mayor en la desorción. Cuesta mucha más humedad el conseguir el mismo contenido en agua en un alimento al volverlo a hidratar tras la deshidratación.

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Esto ocurre debido a que los puntos a donde se unía el agua se han roto al deshidratar con lo que al agua le cuesta más volver a entrar. El que ocurra o no este fenómeno dependerá de diversos factores.

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Modelos Matemáticos de GAT y BET

Se han realizado numerosos intentos de representar las isotermas de sorcion por medio de expresiones matemáticas. La primera y la mas frecuente es la expresión conocida como Isoterma de BET – Modelo Brumauer, Emmett y Teller (1939)

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Isoterma de BET Esta es útil para

estimar el Valor de la monocapa , que es equivalente a la cantidad de agua ligada incorporada a los sitios específicos:

Agua de la Monocapa

Sitio Especifico

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Ecuación de BET Aw = 1 + (C-1) Aw (1 – Aw) X Xm.C Xm.C

Esta teoría cinética goza de gran difusión en el campo de alimentos . Los autores suponen que el agua se absorbe en forma de capas : la primera se fija por adsorcion sobre los puntos específicos y los siguientes se fijan entre si a la primera mediante puentes de hidrogeno; el diámetro de los capilares limitan el numero de capas adsorbidas

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Linearizando esta expresión

Aw

0.20.6 10

0.8

Aw (1 - Aw)X

Tag α = C - 1

Xm.C

α

Donde:X = Contenido de Humedad del Producto en b.s LUIS ARTICA M. 2008

Xm = Contenido de humedad en la capa monomolecular de agua adsorbida (g/100 g de materia seca)

C = Parámetro relacionado con el valor de la adsorcion de agua retenida.

Debido a que la hipótesis de este modelo teórico no se cumple enteramente para muchos materiales. Su aplicabilidad se restringe a valores de Aw entre 0.05 y 0.40

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Se menciona muchas modificaciones para isoterma de BET una de las propuestas mejores es que el radio de los capilares define el numero limite de capas de agua que pueden formarse sobre el capilar.

(n+1) Xm.C.Aw ) 1 - (n+1)Aw + n.Awx = + (n+1)

1 – Aw 1 + (C+1)Aw –C.Aw

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Isoterma de BET

según Los Valores del parámetro C la forma de isoterma es distinta ; esta dependerá de C, puesto que este parámetro aparece en el segundo tipo de Isoterma que solo los valores positivos de p/po tienen sentido Físico y aparecerá el punto de Inflexión cuando C>2

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Importancia de las Isotermas de Sorcion

El conocimiento de las características de Sorcion de un alimento facilita la predicción de su vida útil. Muchas casos, la riqueza en agua que permite una estabilidad máxima se corresponde con el valor de la monocapa.

Este dato permite también predecir los tiempos de secado para el proceso de este tipo.

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Valores de Agua de la Monocapa

Karel (1975) - Gelatina 11%

- Almidón 11%

- Lactosa 6%

- Leche entera desecada por atomización 3%

ha dado también un ejemplo de cómo calculan estos valores

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Utilidades de las Isotermas de Sorcion

Si vamos a deshidratar un alimento las necesitaremos para ello y para su posterior almacenamiento

Ejemplo: Si almacenamos a 0.5 de humedad relativa tendremos una cantidad de agua mucho menor que si lo hacemos a 0.8 por ejemplo.

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Vida Útil de los alimentos (empacado de alimentos)

Ejemplo: la absorcion de la humedad por los Snacks (papas fritas) es función del tipo de material de envase y sus características de permeabilidad.

Espinoza (1998) menciona que para la industria de las papas chips considera el producto con humedad a 3.5% inaceptable. El valor de la actividad de agua (Aw) critica para el rechazo de la papa es de 0.4

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Condiciones de equilibrio antes de mezclar productos con varias actividades de agua

Ejemplo: En la Industria de embutidos nos interesa la concentración de solutos del producto, la actividad de agua de cada uno de sus ingredientes nos permitira predecir el tiempo de vida util.

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Isoterma de GAB

La ecuación de Guggenhein – Anderson – De Boer, concida por el acronimo de GAB fue propuesta para los materiales por Van den Bong(1981)

Esta ecuación de Isoterma para la adsorcion de multicapas fue propuesta para fijar el dato de sorcion sobre un rango mayor que el usado por BET

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Esta expresión es aplicable hasta una Aw de 0.9

En los últimos años la ecuación de GAB es la que a ganado mas popularidad la misma que es recomendada por varios autores para la determinación de propiedades fisicas de los alimentos.

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Ecuación de GAT Las 3 constantes de la ecuación de GAB se

calculan a partir de una ecuación transformada de GAB; que tiende a una parábola y permite un fácil calculo:

X = C`K`Aw Xm (1-K`Aw)(1-K`Aw+CK`Aw)

Donde: X = % del agua contenida en base seca

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Xm = % del contenido de agua correspondiente a la saturación de todos los lugares por moléculas de agua (formalmente llamada monocapa en la teoría de BET)

Aw = Actividad de agua C‘ = Constante de Guggenheim K‘ = Es un factor de correccion de las

propiedades de las moleculas de multicapa con respecto al liquido.

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Isoterma de GAT

Bizot (1983) Transformo la ecuacion anterior a ana ecuacion cuadratica:

Aw = α Aw2 + ß Aw + Ґ

X

Siendo :

α = K‘ ( 1 - 1)

Xm C'

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ß = 1 ( 1 - 1) Xm C' Ґ = 1 XmC‘K' Como se Observa para poder hallar los

parametros de α, ß y Ґ se tiene que realizar un analisis de regresion

no lineal simple, teniendose que hacer uso de la estadistica .

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Con el fin de facilitar el calculo de los mencionados parámetros también se pueden determinar por métodos numéricos (método de mínimos cuadrados), cuya solución es la siguiente:

n Ґ + ß ( ∑ Aw ) + α ( ∑ Aw2 ) = ∑ ( Aw )

X

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Ґ ∑Aw )+ß( ∑Aw2 )+α( ∑Aw3 )= ∑( Aw x Aw )

X

Ґ ∑Aw2)+ß( ∑Aw3 )+α( ∑Aw4 )= ∑( Aw x Aw2 )

X

Donde: n = numero de soluciones saturadas

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Hallados los valores de α, ß y Ґ se resuelven el sistema de ecuaciones, para hallar el valor de la monocapa:

Xm = ( 1 )1/2

ß-4αҐ

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Estudio de Otras Isotermas de Sorcion

Iglesias y Chirife (1982) evaluaron valores de la monocapa para una amplia variedad de alimentos a partir de datos experimentales de las cuales citan nueve de tales ecuaciones y emplean técnicas de ajuste para elegir cual de las ecuaciones proporcionan el mejor ajuste a los datos experimentales . Por ejemplo para champiñones la isoterma de absorción a 20ªc viene dado por:

M= 8.3477 aw + 2.2506 1-aw

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Importancia Tecnológica En la Industria de Alimentos

Nos permite Transformar la humedad del alimento en su actividad de agua (Aw)

Se determina el valor de la monocapa, siendo el valor que cubre los sitios activos de un alimento y da estabilidad a los alimentos.

Nos permite conocer Fenómenos durante y después del deshidratado, permite indicar un buen diseño del deshidratador.

Humedad del alimento en Aw

Valor de H2O Monomolecular,Estabilidad del

Alimento

Fenómenos en el Secado de

alimentos, Diseño de Secadores

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Previene el tiempo de almacenamiento para dar condiciones de HR, Temperatura, y ver su comportamiento.

Permite conocer la Higroscopicidad del alimento El proceso de rehidratación se puede ver

después del deshidratado Selección y determinación del material de

empaque.

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En base a los resultados de las isotermas de sorcion se obtienen expresiones que permiten calcular los calores integrales y diferenciales de Sorcion (además de las respectivas entropías) de diversos cereales y su dependencia con el contenido de humedad

Entropía es una propiedad termofísica de los alimentos para cálculos de transferencia de calor

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Se puede realizar cálculos de simulación en secado de alimentos a diferentes condiciones de humedad

Trabajos Publicados : Investigación del efecto de la temperatura sobre el rendimiento y calidad de almidón de maíz obtenido por molienda húmeda

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