agua en alimentos
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EL AGUA EN SISTEMAS ALIMENTICIOS
Agua Es un elemento esencial
para la vida, cuyas principales funciones son: Mantener la temperatura
corporal; Transportar los nutrientes
a las células; Eliminar los elementos
de desecho de la utilización de los nutrientes por el organismo
El agua se encuentra en….
La mayor parte de los alimentos contiene cantidades variables de agua, con excepción del azúcar y el aceite. Los alimentos que la contienen en mayor cantidad son verduras, frutas y leche.
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
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 alimentos
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
ALIMENTOS AGUACarne de cerdo 53-60Carne de vacuno 50-70Carne de pollo 74Carne de pescado 65-81Peras 80-85Manzana 85-90Melocotones 85-90Naranjas 85-90Fresas 90-95Tomates 90-95Paltas 74-80Plátanos 74-80Arvejas 74-80Zanahorias 80-90Espárragos 90-95Coliflor 90-95Lechugas 90-95
- Formado por dos moléculas de H y una de oxígeno
Estructura del agua
- Los seis electrones de valencia del oxígeno están hibridados en la molécula del agua en los cuatro orbitales sp3.
Estructura del agua
- Carga total neutra ( igual Nº de protones y electrones)
- Distribución asimétrica de electrones:POLAR
105°
0.096 nm
Estructura del agua
- Alrededor del Oxigeno = densidad de carga negativa
- Alrededor de hidrógeno = densidad de carga positiva
Estructura del agua
DIPOLO
- Interacciones dipolo – dipolo
Estructura del agua
a. ACCION DISOLVENTE - Disolvente universal (puentes de hidrógeno
Propiedades del agua
- 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
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
c. Elevada fuerza de Adhesión - Responsable del fenómeno de CAPILARIDAD
Presión que ejerce la columna de agua = presión capilar
Propiedades del agua
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
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
LIQUIDO CALOR DE VAPORIZACIÓN ( cal /g )
Agua 540
Metanol 263
Etanol 204
Acetona 125
Benceno 94
Cloroforma 59
- Soporte: o medio donde ocurren las reaccionen metabólicas
- Amortiguador térmico- Transporte de sustancias- Lubricante: amortiguadora del roce entre
órganos- Favorece la circulación- Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos- Puede intervenir como reactivo en
reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.
Funciones del agua
El agua tiene la capacidad de disociarse:- agua molecular (H2O)- Protones hidratados (H3O)- Iones Hidroxilo (OH)
Ionización del aguaDisociación del agua
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
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
- 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
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:
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
3. Agua de los Capilares: El agua se encuentra en el interior de los micro capilares de la partícula de los alimentos.
Isotermas de SorcionModelos Matemáticos de
GAT y BET
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).
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
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.
PoPaw
La actividad de agua es :
Actividad de Agua
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:
211nn
naw
Aw
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
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
AW
El valor de actividad de agua es dependiente de la temperatura.
Siempre supondremos como valor estándar un valor de 25ºC.
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
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)
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.
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
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
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.
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 predichas con base ecuaciones teóricas.
En función al contenido de humedad o de equilibrio puede obtenerse de 2 vías
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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
Ecuación de BET Mw = MoCAw (1 – Aw)[1+(C-1)Aw] 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
Linearizando esta expresión
Aw
0.2 0.6 10 0.8
Aw (1 - Aw)Mw
Tag α = C - 1 Mw.C
α
Donde:Mw = Contenido de Humedad del Producto en b.s
Mo = 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
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) Mo.C.Aw ) 1 - (n+1)Aw + n.AwMw = + (n+1) 1 – Aw 1 + (C+1)Aw –C.Aw
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
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.
Valores de Agua de la MonocapaKarel (1975) - Gelatina 11%- Almidón 11%- Lactosa 6% - Leche entera desecada por atomización 3% ha dado también un ejemplo de cómo
calculan estos valores
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.
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
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.
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
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.
Ecuación de GAB 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:
Mw = MoC`K`Aw (1-K`Aw)(1-K`Aw+CK`Aw)
Donde: Mw = % del agua contenida en base seca
Mo = % 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.
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 20°C viene dado por:
M= 8.3477 aw + 2.2506 1-aw
Modelo de Halsey 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:
1/n Mw = [-C/lnAw]Donde: Mw = % del agua contenida en base seca
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
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.
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
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.