COMPOSICION Y ANÁLISIS DE ALIMENTOS

EPA 01ACT

MAESTRIA EN CIENCIA Y TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

ESCUELA DE POST GRADO

Dra. Celina Luízar Obregón

AguaImportancia del agua en los alimentosEs una sustancia de complejidad infinita, de grande inapreciable importancia, dotada de una rareza y belleza suficiente como para excitar y retar a cualquiera que pretenda conocerla

Importancia del aguaEs esencial para la vida como: Estabilizadora de la temperatura corporal, Portadora de nutrientes y productos de desecho, Como reactivo y medio de reacción, Estabilizadora en la conformación de

biopolímeros, Probable facilitadora de la conducta dinámica de

las macromoléculas, Por sus propiedades catalíticas, etc

Importancia del aguaEl agua representa el constituyente más abundante en la mayor parte de los alimentos en estado natural a excepción de los granos.En la cantidad, localización y orientación correcta, es crucial para los procesos vitales.Influye en la estructura, aspecto y sabor de los alimentos.La textura de los alimentos dependen de la asociación entre el agua y otros constituyentes, sin embargo esta cualidad es también responsable de su deterioro.

Tabla. Contenido de agua de diversos alimentosAlimento Contenido de

agua (%)CarnesDe cerdo, cruda 53-60Vacuna, cruda 50-70De pollo, todas las clases 74Pescado 65-81FrutasBayas, cerezas, peras 80-85Manzanas, naranjas 85-90Fresas, tomates 90-95VerdurasPlátanos, alberjas (verdes) 74-80Brócolis, zanahorias, papas 80-90Espárragos, habas, lechugas, coliflor

90-95

La molécula de agua

Constantes físicas del agua y del hielo

PropiedadPeso molecular 18.0153Propiedades de transición de fasePunto de fusión a 101.3 k Pa (1 atm) 0.000°CPunto de ebullición a 11.3 k Pa (1 atm) 100.000°CTemperatura Crítica 373.99°CPresión Critica 22.064 MPa (218.6 atm)

Punto triple0.01°C and 611.73 Pa (4.589 mm Hg

)Calor de fusión a 0°C 6.012 kJ (1.436 kcal)/molCalor de vaporización a 100°C 40.657 kJ (9.711 kcal)/molCalor de sublimación a 0°C 50.91 kJ (12.16 kcal)/mol

Constantes físicas del agua y del hielo

20 oC 0 oC 0oC (hielo)

-20 oC (hielo)

Densidad (kg/L) 0.998203 0.999841 0.9168 0.9193

Viscosidad (Pa.s) 1.002 x10-3 1,787x10-3 - -

Tensión superficial frente al aire (N/m) 72.75 x10-3 75.6 x10-3

Presión de vapor 2.337 x10-3 6.103 x10-2 6.104 x10-2 1.034 x10-2

Propiedades físicas del agua Calor específico: cantidad de calor necesaria para

elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado.

Calor latente de fusión y de vaporización: se llama así al calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua.

Conductibilidad térmica: tiene la propiedad de transmitir el calor y la electricidad.

Viscosidad: tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza.

El agua puede existir en estado sobreenfriado, es decir puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo del punto de congelación. Es uno de los agentes ionizantes más conocidos y también se le conoce como el disolvente universal.

Asociación de las moléculas de agua La forma de V de una molécula de agua y la naturaleza polarizada

del enlace O-H, determinan una distribución asimétrica y un momento de dipolo en estado de vapor de 1.84D para el agua pura

m = 1.84 D

Fuerza intermolecular muy alta

Fuerzas atractivas intermolecularesEl agua tiene una gran capacidad para formar múltiples enlaces de hidrógeno.

Tipo de enlace

Energia de enlace media

covalente 335 kJ/molEnlace de hidrógeno (promedio)

2 – 40 kJ/mol

Cada momécula de agua es capaz de unirse a un máximo de otras cuatro moléculas.Conformación tetraédrica.

Se forman cuatro lineas de fuerza

Estructura del hielo

El agua (tetraédrica) cristaliza en una estructura abierta (de baja densidad), formando una geometría hexagonal en el hielo

The “basal plane” of ice (combination of two layers of slig htly different elevation). Each circle represents the oxyg en atom of a water molecule.Open and shaded circles, respectively, represent oxygen atoms in the upper and lower layers of the basal planes. (a)Hexagonal structure viewed down the c axis. Numbered

molecules relate to the unit cell in Fig ure 3. (b)Three-dimensional view of the basal plane. The front edg e

of view b corresponds to the bottom edge of view a.

Capas y estructura basal de hielo

Estructura del hielo

Las moléculas de agua están tetracoordinadas.

El hielo no es estático.La actividad en el hielo se debe, entre otros,

al movimiento de los átomos de hidrógeno al formar el enlace de hidrógeno.

Solutos en el hielo La cantidad y clases de solutos presentes puede influir en la cantidad,

tamaño, estrucura, localización y orientación de los cristales de hielo. Las formas generales encontradas en alimentos son hexagonales, pero

tambien se conocen las dendritas irregulares, esferulitas simples y esferulitas evanescentes.

dendritas irregulares

esferulitas

Estructura del agua

El agua líquida tiene una estructura que le permite producir rigidez de largo rango.La movilidad de una molécula de agua está influenciada por sus vecinas.Es un “líquido abierto” con densidaddel 60% de lo que se esperaría, explicada por su disposición tetraédrica.

Estructura del aguaEl água líquida (t.a.) contiene trayectos tridimencionales ininterrumpidos de enlace hidrógeno.Preferencia local por la geometría tetraédrica.Contiene muchos enlaces distorcionados o rotos.Posibilidad de agregados dispersos de unas cuantas moléculas de agua.Las moléculas pueden cambiar entre sí sus enlaces de hidrógeno.Matiene la temperatura constante, el retículo intacto y gran número de enlaces hidrógeno.

Estructura del aguaEn el hielo, a medida que se incrementa la temperatura, se destruye la estructura rígida.Las moléculas de agua se reorganizan.Se forman disposiciones reticulares que permiten la formación de enlaces de hidrógeno distorcionables.La temperatura se incrementa (calor latente de fusion).El número de coordinación se incrementa desde 4.0 en el hielo:

Hasta 4.4 en el agua ( a 1.50 oC)Hasta 4.9 en el agua ( a 83 oC)

Aumenta la distancia entre moléculas vecinas, desde 2.76 A (hielo) a:2.9 A en el agua ( a 1.50 oC)3.05 en el agua ( a 83 oC)

Aumenta el número de vecinas más próximas y aumenta la densidad.El retículo de enlace es altamente dinámico, aumentando la movilidad molecular y fluidez, y por consiguiente disminuyendo la viscosidad.

Interacciones agua-solutoLa adición de diferentes sustancias al agua determina la alteración de la propiedades de la sustancia añadida y de la propia agua.

Sustancias hidrofílicas (SHf)Interactuan fuertemente con el agua: dipolo-dipolo; io-dipolo.Modifican la estructura del agua y su movilidad.Las sustancias hidrfílicas cambian su estructura y reactividad.Sustancias hidrofóbicas (SHb)Los grupos hidrofóbicos interactuan débilmente con el agua adjacente.El agua adyacente a las SHb asume un grado de estructura mayor que en el agua pura.Por ello los grupos hidrófobos se agregan para minimizar su contacto con el agua.

Interacciones agua-soluto

Ligazón de agua ó Hidratación

(Water binding or hydration)Es la tendencia del agua a asociarse, con diversos grados de tenacidad a sustancias hidrofilicas.Depende entre otros de

la naturaleza del soluto,Composición salina,pH,Temperatura.

Agua LigadaEs el agua que existe en la vencindad de los solutos y otros constituyentes no acuosos, exibiendo reducida movilidad molecular y otras propiedades significativamente alteradas, en comparación con la “masa de agua” del mismo sistema, siendo incongelable a -40 oC.

El agua capilar es la fracción del agua retenida por el suelo que puede ser absorbida por las raíces de las plantas, mientras que el agua ligada forma una capa tan fina alrededor de las partículas del suelo y está tan fuertemente unida a ellas que no puede ser aprovechada por las plantas

Agua Ligada•La cantidad aparente de agua ligada varía segun el método de análisis.•La cantidad real de agua ligada varía dependiendo del producto.•El agua ligada consta de:

• Agua constitucional: es el agua ligada más tenazmente y que forma parte integral de la sustancia no acuosa.• Agua vecinal: es el agua ligada que sigue en

tenacidad de unión.Ocupa los sitios de la primera capa de los grupos más

hidrofílicos (de los constutyentes no acuosos).Cuando ligada a grupos iónicos, se liga más

firmemente.• Agua multicapa: ocupa los restantes sitios de la

primera capa y forma vairas capas detras del agua vecinal.

Está ligada menos tenazmente que el agua vecinal.También está próxima al constituyente no acuoso, sus

propiedades estan alteradas, respecto al agua pura.

Agua Ligada•No está inmovilizada.•El agua ligada a SHf está más estructurada que el agua pura, pero difiere al hielo. •La cantidad real de agua ligada varía dependiendo del producto.•En algunos sistemas celulares de alimentos el agua puede estar confinada en pequeños capilares (radios 10 a 100 mm). Presenta reducida movilidad y presión de vapor.•Los alimentos de alta humedad presentan cantidades pequeñas de agua ligada.

Ejm. Proteínas 0.3 a 0.5 g H2O por gramo de proteína seca.•Los alimentos de baja humedad sonmejor descritos con la actividad de agua.

Capacidad de Retención de Agua (Sinéresis)•Describe la capacidad de una matriz de moléculas, normalmente macromoléculas, para atrapar grandes cantidades de agua de tal manera que se evite la exudación.

Ejm.: pectina, almidón, tejidos animales vegetales;•La materia orgánica atrapa físicamente grandes cantidades de agua.

Agua atrapada:Se comporta como agua pura durante el procesado de alimentos;Se elimina fácilmente, se congela;Constituye la principal fracción de agua en células y geles;Influye en la capacidad de retención de agua de los alimentos.

• Influencia sobre la sinéresis:Congelación – reducción;Descenso de pH –reducción.

Actividad del aguaSe define como la relación que existe entre la presión de vapor de un alimento dado en relación con la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura. Se denomina por regla general como aw del idioma inglés Water activity, aw ). La actividad acuosa es un parámetro estrechamente ligado a la humedad del alimento lo que permite determinar su capacidad de conservación, de propagación microbiana, etc. La actividad acuosa de un alimento se puede reducir aumentando la concentración de solutos en la fase acuosa de los alimentos mediante la extracción del agua (liofilización) o mediante la adición de nuevos solutos. La actividad acuosa junto con la temperatura, el pH y el oxígeno son los factores que más influyen en la estabilidad de los productos alimenticios.

Principales grupos de alimentos y sus valores de Aw

Valores de Aw Alimentos • 0,98 y superiores Carne y pescado frescos

Frutas y hortalizas frescas Leche y la mayoría de las bebidas

Hortalizas enlatadas en salmuera Frutas enlatadas en almíbar poco

concentrado • 0,93-0,98 Leche evaporada Pasta de tomate

Queso sometido a tratamiento industrial Carnes curadas enlatadas

Embutidos fermentados (no desecados) Frutas enlatadas en alrni'bar concentrado

Queso de Gouda • 0,85-0,93 Embutidos secos o fermentados Cecina de

vaca Jam0n fresco Queso de Chedar viejo Leche condensada azucarada

• 0,60-0,85 Frutas desecadas Harina Cereales Compotas y jaleas; Nueces Algunos quesos viejos Alimentos de humedad intermedia

• Inferiores a 0,60 Chocolate, Pastelería Miel , Bizcochos, Galletas crackers

Patatas a la inglesa, Huevos y hortalizas deshidratados y leche

en polvo

Aw y conservación de los alimentos

Donde P = presión de vapor del alimentoPo= presión de vapor del agua pura

Que obedece la Ley de Rault. Soluciones no ideales las moléculas e iones presentes causan desvíos de la Aw calculada de esta forma.

La presión P del vapor de agua sobre un alimento, despues de alcanzar el equilibrio, a una temperatura t, corresponde al porcentaje de humedad relativa HR del alimento:

soluto de molesonsolvente de moles deon

solvente de moles onA

no

P

PwA

El contenido de agua libre se expresa como Aw , donde:

100HRAw

Aw y conservación de los alimentos•El valor máximo de la actividad de agua es 1, en el agua pura.

•Alimentos con Aw> 0.9Pueden formar soluciones diluidas con componentes del alimento que servirán de sustrato para desarrollo de microorganismos.Las reacciones químicas y enzimáticas pueden disminuir su velocidad, por las bajas concentraciones.La contaminación biológica es más fácil.

•Alimentos con Aw 0.40 – 0.80Hay posibilidad de reacciones químicas y enzimáticas rápidas, por el aumento de las concentraciones de los reactantes.

•Alimentos con Aw 0.6Hay poco o ningún crescimiento microbiano

•Alimentos con Aw < 0.3

Se alcanza la “Zona de Absorción Primaria”, presencia de la monocapa:Las moléculas de agua pueden estar enlazadas a

puntos de absorción primarios (Ej. R-COOH) y otras moléculas de idrógeno (agua ligada).

Esta agua no es utilizable para disolver componentes del alimento.

Las reacciones tienden a velocidad cero.

La oxidación de lípidos es más rápida.El crecimiento de microorganismos se dificulta.

Aw y conservación de los alimentos

Isotermas de Desorción e Histéresis

Isoterma de adsorciónEs la curva que indica la cantidad de agua retenida por un alimento en función de la humedad relativa de la atmósfera que le rodea.

Isoterma de desorciónEs única para un producto dado y una temperatura determinada, No es superponible a la isoterma de adsorción;

En teoría las dos curvas deberían seguir el mismo trazado pero los experimentos permiten demostrar que no siempre ocurre así.

Ésta no coincidencia de las dos curvas se denomina Histéresis.

•Las dos isotermas teóricas muestran que para cada valor de Aw o HR, entre los puntos A y B, hay dos valores de contenido de agua en el alimento:

Uno mayor para el secado.Uno menor para la hidratación.

•La diferencia entre los dos procesos se llama HISTERESE (retardo, tendencia a conservar sus propiedades), y se debe a la presencia de la monocapa.

ZONA 1El agua constituye la capa primaria, unida a grupos

ionizables o fuertemente polares.ZONA 1IEl agua puede actuar como solvente y su presión de

vapor varia según la Ley de Rault.ZONA 1IIAgua retirada de capilares, donde puede formar

soluciones, también agua libre retenida mecánicamente.

Las isotermas de adsorción y desorción se usan para:

Cálculo de Aw en mezclas con componentes de diferentes Aw

Estimación del peso y área de la capa primariaEstudio del tipo de embalaje más adecuado ante la sorción de agua del alimento

Permiten prevenir el grado de deshidratación del alimento frente a cambios de temperatura ambiente o durante el almacenamiento.

Las isotermas se obtienen colocando un alimento en un recipiente cerrado y midiendo la presión de vapor de agua.

También se puede obtener colocando varias muestras de un mismo alimento en varios recipientes cerrados, manteniéndolos con soluciones salinas o ácido sulfúrico de diversas concentraciones.

Factores que influyen sobre las necesidades de Aw de los microorganismos

•Tipo de soluto utilizado para reducir la Aw .Algunos microorganismos (Ej mohos) la Aw mínima de crecimiento es prácticamente independiente del tipo de soluto utilizado. Otros microorganismos, sin embargo, cuando se utilizan determinados solutos, tienen valores de Aw limitante del crecimiento que son más bajos que cuando se utilizan otros. El KCl, por ejemplo, suele ser menos tóxico que el NaCl y, éste, a su vez, tiene menor poder inhibidor que el sulfato sódico.

•Valor nutritivo del medio de cultivo. Cuanto más apropiado es el medio de cultivo para el crecimiento general del microorganismo, tanto menor es la Aw limitante del crecimiento.

•Temperatura. A temperaturas próximas a la temperatura óptima de crecimiento, la mayoría de los microorganismos tienen una tolerancia máxima a los valores bajos de la Aw.

Aporte de oxígeno. Cuando en el medio existe aire, la multiplicación de los microorganismos aerobios tiene lugar a valores de la Aw más bajos que, cuando en el mismo no existe aire, ocurriendo lo contrario cuando se trata de microorganismos anaerobios.

pH. A valores de pH próximos a la neutralidad, la mayoría de los microorganismos son más tolerantes a la escasa Aw , que cuando se encuentran en medios ácidos o básicos.

Inhibidores. La presencia de inhibidores reduce el intervalo de valores de Aw que permite la multiplicación de los microorganismos.

Métodos utilizados para regular la Aw • Estabilización con soluciones reguladores, • Determinación de la isoterma de

adsorción del agua de los alimentos (Iglesias y Chirife, 1976),

• Adición de solutos.

Técnicas utilizadas para medir o determinar el valor de la Aw de los

alimentos

• la determinación del punto de congelación,

• técnicas manométricas• empleo de aparatos eléctricos.

Se coloca la muestra en una pequeña cámara cerrada a una temperatura constante.

Se utiliza un sensor de humedad relativa para medir el % de humedad relativa en equilibrio que rodea a la muestra después del equilibrio.

• La determinación del punto de congelación sólo se puede realizar cuando se trata de alimentos líquidos con valores de Aw elevados.

• Esta determinación se basa en la ecuación de Clausius-Clapeyron para soluciones diluidas (Strong y otros, 1970). La técnica manométrica que determina directamente la presión de vapor en la atmósfera que rodea al alimento se considera muy exacta.

• Esta técnica y el aparato utilizado en la misma los describe con detalle Labuza (1974).

CONTENIDO EN AGUA Y ACTIVIDAD DE AGUA(aw) DE ALGUNOS ALIMENTOS

Alimento Contenidoagua (%)

Actividadde agua

Grado de protección requerido

Hielo (0ºC) 100 1,00Carne fresca 70 0,985Pan 40 0,96 Envasado para evitarHielo (-10ºC) 100 0,91 una excesiva desecaciónMermelada 35 0,86Hielo (-20ºC) 100 0,82Harina de trigo 14,5 0,72Hielo (-50ºC) 100 0,62 No se requiere envasadoPasas 27 0,60 o tan sólo una protección mínimaMacarrones 10 0,45Cacao en polvo 0,40Dulces hervidos 3,0 0,30Bizcochos 5,0 0,20 Envasado para evitarLeche deshidratada 3,5 0,11 su rehidrataciónSnacks a base de patata 1,5 0,08

: Presión de vapor del hielo dividido por la fusión de vapor del agua.

FenómenoEjemplos

1,000,95

Alimentos frescos perecederosNo crecen: pseudomonas

Alim. 40% SACAROSA ó 75% SAL

Bacillus ; clostridium perf.Salchichas cocidas - pan

0,9Límite inferior crecimiento bacterias

55% SACAROSA Ó 12% SAL

Salmonella ; clostri.botulinumJamón curado - queso nomaduro

0,85 No crecen muchas levaduras65% SACAROSA Ó 15% SAL

Salami - quesos maduros - margari,

0,8 Lím. Inf. crec. mohos - enzimas 15-17 % AguaStaphilococcus aureusJarabes frutas - leche conden.

0,75 Lím. inf. crec. bacterias halófilas 15-17 % AguaMazapan - confituras

Fenómeno

0,65 Velocidad máx. Reacción MAILLARD 10 % AguaCopos avena - melazas - frut. Secos

0,60 Li.c. mohos -levaduras osmófilas Frutos secos 15-20% AguaCaramelos 8% agua - miel

55Principio DESORDEN del Ac.ADN (Fin Vida)

0,5 Frutos secos -especias - pasta seca0,4 Mínima velocidad oxidación

5 % Agua HUEVO en POLVO0,25 Máxima REMORRESISTENCIA ESPORAS

3 % agua leche polvo 0,20 5 % agua verduras secas

INTERACCIONES ENTRE aw , pH Y TEMPERATURAEN ALGUNOS ALIMENTOS

Alimento pH aW Vida útil ObservacionesCarne fresca >4,5 >0,95 días Almacenamiento en refrigeraciónCarne cocinada >4,5 0,95 semanas Envasada,se mantiene bien a

temperatura ambienteEmbutidosdesecados

>4,5 <0,90 meses Se mantienen por su contenido ensal y su baja aW

Verduras frescas >4,5 >0’95 semanas Se mantienen mientras dura su“respiración”

Pepinillos >4,5 0,90 meses Se conservan por el bajo pHmantenido por su envasado

Pan >4,5 >0,95 díasPastel de frutas >4,5 <0,90 semanas Se conservan por el tratamiento

térmico y su baja aWLeche >4,5 >0,95 días Conservada por la refrigeraciónYogur >4,5 <0,95 semanas Conservado por la refrigeración y

su bajo pHLeche en polvo >4,5 <0,90 meses Se conserva por su baja aW

Papel del hielo en la estabilidad de los alimentos a temperaturas subcrioscopicas

• La baja temperatura, y no el hielo, es quien contribuye en la conservación de los alimentos.

• Consecuencias de la formación del hielo en alimentos celulares y geles alimenticios:

Los constituyentes no acuosos son concentrados en la fase no congelada.Toda el agua convertida en hielo aumenta de volumen el 9%.