constantes fisicas del agua y del hielo

7/25/2019 CONSTANTES FISICAS DEL AGUA Y DEL HIELO

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A G U A

INTRODUCCION

En este planeta, el agua es la nica sustancia que existe abundantemente en los tres estadosfsicos. Adems, es el componente mayoritario de los seres vivos y, por lo tanto, de losalimentos, variando su contenido desde un 60 !0" en la carne #asta un $0 $%" en lasverduras. El agua es esencial para la vida por ser&

' (ortadora de sustancias nutritivas y de productos de desec#o.' Altamente reactiva y, al tiempo, un medio donde se reali)an las reacciones.' *n estabili)ador de las configuraciones biopolmeras.' *n determinante de las reacciones con otras mol+culas.

a presencia de agua en cantidades adecuadas y con una locali)aci-n definida esimprescindible en los alimentos para que tengan una calidad aceptable para el consumidor.in embargo, el contenido en agua de los alimentos #ace que +stos sean altamente

perecederos, y por ello se requieren m+todos efectivos de conservaci-n si se pretendealmacenar estos productos durante largos perodos. Es bien conocido que la extracci-n delagua por des#idrataci-n o la transformaci-n al estado s-lido /congelaci-nde un alimento,son m+todos muy eficaces para la conservaci-n de los alimentos, aunque altera sus

propiedades.

i se pretende conocer el papel que 1uega el agua en los alimentos, o en cualquier tipo dematerial biol-gico, es necesario primero un estudio de la estructura y propiedades del agua

y del #ielo.

CONSTANTES FISICAS DEL AGUA Y DEL HIELO

Al comparar las propiedades fsicas del agua y del #ielo con otras sustancias de masasmoleculares similares /234, 53, 37y etc. y otros lquidos /metanol, etanol, acetona,etc. se observa que el agua se comporta de una forma totalmente anormal, ya que poseeunos valores muy altos, no #abituales, del punto de fusi-n /0 82 a 909, :(a, del puntode ebullici-n /900 82 a 909, :(a, de la tensi-n superficial /0,0!%6 5 m 9 a 0 82, de lacapacidad calorfica /4,79!! :; :g9 la del #ielo a 0 82 esde 0,$96= g cm? y una densidad mxima, totalmente anormal, a ,$= 82, as como unadilataci-n, tambi+n anormal, al pasar al estado s-lido. u viscosidad, por otra parte y a lavista de las propiedades anteriores, es extremadamente normal.

@e gran inter+s es el #ec#o de que la conductividad t+rmica del #ielo a 0 82 /7,74 m9


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LA MOLECULA DEL AGUA

as anormales constantes fsicas del agua sugieren la existencia de fuer)as de atracci-nmuy fuertes entre las mol+culas y una estructura, tanto del agua como del #ielo, poco

comn.

En la mol+cula de agua /figura 9, el tomo de oxgeno comparte un par de electrones concada uno de los tomos de #idr-geno, por superposici-n de los orbtales #bridos sp deltomo de oxgeno. e forman as dos enlaces covalentes /7C de carcter covalente y 9Cde carcter i-nico.

Figura 1. Modelo esque!"i#o de u$a ol%#ula de agua.

Dediante anlisis espectrosc-picos y de rayos , se #an determinado con precisi-n losngulos de valencia y las longitudes. El ngulo de valencia medio para el enlace 3F3en el agua es de 904,%8 que le proporciona una configuraci-n tetra+drica casi perfecta /elngulo del tetraedro es 90$ 8 7=G de los cuatro orbitales sp posibles del tomo deoxgeno. a explicaci-n de esta ligera desviaci-n es que los electrones no compartidos deltomo de oxgeno tienden a repeler a los electrones pareados. a distancia media entre 30 es de 0,0$6 nm. Esta disposici-n de los electrones en la mol+cula de agua le confiereasimetra el+ctrica. El tomo de oxgeno electronegativo tiende a atraer los electrones nocompartidos del tomo de #idr-geno. El resultado es que cada uno de los dos tomos de#idr-geno posee una carga local parcial positiva> el tomo de oxgeno, a su ve), posee unacarga local parcial negativa. @e esta forma, la mol+cula de agua es un dipolo el+ctrico. Elgrado de separaci-n de las cargas positivas y negativas en> las mol+culas dipolares seexpresa por el momento dipolar que constituye una medida de la tendencia de unamol+cula a orientarse en un campo el+ctrico.

a naturale)a dipolar de la mol+cula de agua aislada #ace que se produ)ca una fuerteatracci-n electrosttica entre la carga parcial negativa, situada sobre el tomo de oxgeno


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de una mol+cula de agua, y la carga parcial positiva situada sobre el tomo de #idr-genode otra mol+cula de agua adyacente, dando lugar a enlaces de #idr-geno. A causa de laordenaci-n aproximadamente tetra+drica de los electrones en el tomo de oxgeno, cadamol+cula de agua tiende a establecer enlaces de #idr-geno con otras cuatro mol+culas deagua vecinas. En comparaci-n con los enlaces covalentes, con una energa de enlace

/energa necesaria para disociar el enlace de % :; mol9

, los enlaces de #idr-geno tienenuna energa de enlace muc#o ms d+bil /7 40 * mol9.

2omo los enlaces covalentes de la mol+cula de agua estn locali)ados sobre dos de lose1es del tetraedro imaginario, estos dos e1es representan lneas positivas de fuer)a /sitiosdadores. (ero en el tomo de oxgeno permanecen otro par de orbitales sobre otros dose1es del tetraedro y representan lneas negativas de fuer)a /sitios receptores de enlaces de#idr-geno. En virtud de estas cuatro lneas.de fuer)a, cada mol+cula de agua puedeestablecer cuatro puentes de #idr-geno con otras cuatro mol+culas, obteni+ndose, comoresultado, una estructura tambi+n tetra+drica /figura 7.

@ebido a que la mol+cula de agua tiene un nmero igual de sitios receptores que dadoresde puentes de #idr-geno que permiten una disposici-n tridimensional, #ace que existanunas fuer)as de atracci-n muy grandes entre las mol+culas de agua, sobre todo si secompara con las fuer)as de atracci-n de otras mol+culas pequeHas con configuraci-ntetra+drica, tal como el 53,, que tiene tres #idr-genos y s-lo un sitio receptor, o el I3 conun #idr-geno y, por lo tanto, tres sitios receptores. Ambos no tienen igual nmero dereceptores y dadores y, por ello, s-lo pueden formar enlaces de #idr-geno en sentido

bidimensional y, en consecuencia, un menor nmero de enlaces de #idr-geno entre susmol+culas que en el agua.

Figura &. Co$'igura#i($ "e"ra%dri#a de ol%#ulas de agua u$idas )or e$la#es de

*idr(ge$o. O+ O,ige$o- *idr(ge$o. Fue$"e+ Fe$$ea /1002.

a disposici-n tridimensional de las mol+culas del agua explica muc#as de las propieda

des anormales que posee& su gran capacidad calorfica, su alto punto de fusi-n y deebullici-n, su tensi-n superficial, los altos valores de los calores de fusi-n, vapori)aci-n y


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sublimaci-n> todos ellos relacionados con la gran cantidad de energa que se necesita pararomper los enlaces de #idr-geno intermoleculares.


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ESTRUCTURA DEL HIELO Y DEL AGUA

El agua, con sus fuer)as dirigidas en las tres direcciones del espacio y en el sentido de loscuatro e1es de un tetraedro, cristali)a en una estructura abierta de ba1a densidad. adistancia entre los dos tomos de oxgeno ms cercanos es de 0,7!6 nm y el ngulo que

forman tres tomos de oxgeno es ligeramente superior a 90$8 /muy pr-ximo al ngulo deltetraedro perfecto, 90$8 7=G. En el #ielo, cada mol+cula de agua se #alla unida por enlacesde #idr-geno a exactamente otras cuatro mol+culas de agua que se asocian de tal formaque se obtiene una estructura #exagonal, que es la combinaci-n de dos planos paralelosmuy cercanos con los tomos de oxgeno distribuidos de forma regular. Esta disposici-nconstituye una estructura basal. 2uando varias estructuras bsales se unen se obtiene laestructura #abitual del #ielo.

El #ielo puro no es un sistema esttico constituido s-lo por mol+culas de agua dispuestasen un orden preciso sino que es un sistema dinmico porque, al margen de contener encantidades vestigiales ciertos is-topos /deuterio, tritio, 93, 9!F, 9= F, etc., que pueden

ignorarse en la mayora de los casos, los cristales de #ielo nunca son totalmente perfectos,existiendo defectos de tipo orientacional /causados por dislocaci-n de protones o i-nico/formaci-n de 3FJy F3 que explican la mayor movilidad de los protones en el #ieloque en el agua> se cree que estn en vibraci-n continua que disminuye al #acerlo latemperatura, siendo necesario alcan)ar temperaturas del orden de 9= 82 para fi1ar lostomos de #idr-geno y conseguir un sistema esttico. Este estado dinmico del #ielo se #arelacionado con la actividad de ciertas reacciones que, aunque sea lentamente, siguen

progresando en los alimentos ba1o congelaci-n.

En el #ielo cada mol+cula de agua est unida a otras cuatro mol+culas vecinas. En el agualquida a F 82 cada mol+cula de agua se #alla unida, en cualquier momento, a otras 4mol+culas> por otra parte, la distancia entre dos tomos de oxgeno es superior a la que seencuentra en el #ielo& 0,7$ nm a 9% 82 y 0,0% nro a = 82. A partir del calor de fusi-n del#ielo se #a calculado que cuando +ste se funde a F 82, s-lo se rompen un 9%" de losenlaces de #idr-geno existentes en el #ielo. El agua lquida puede considerarse, pues,como hielo quebrantado. Entre las mol+culas de agua a 900 82 existen todava fuertesatracciones, como parece indicar el elevado calor de vapori)aci-n. En realidad, los enlacesde #idr-geno no se disocian totalmente #asta que el vapor de agua se calienta por encimade los 600 82.

Entre el agua y el #ielo existe, pues, una pequeHa diferencia en la cantidad de enlaces de

#idr-geno establecidos, lo cual puede parecer sorprendente si se compara la rigide) del#ielo con la fluide) del agua. a teora ms difundida para dar una explicaci-n aceptablereside en la velocidad con que se establecen y rompen los enlaces de #idr-geno. Aunqueen un instante determinado la mayor parte de las mol+culas en el agua lquida estn unidas

por puentes de #idr-geno, la vida media de cada enlace de #idr-geno es s-lo de l090a 9099segundos. a estructura del agua es, por lo tanto, s-lo estadstica, ya que es el resultadode una media obtenida en el espacio y en el tiempo. (or consiguiente, es a la ve) fluida yestable. e #a empleado el t+rmino de agrupaciones fluctuamospara designar los gruposde mol+culas de agua, de vida corta y estructura similar a la del #ielo, existente en el agualquida.

a velocidad con que se forman y escinden los enlaces de #idr-geno en sistemas acuosossupera, en muc#o, a la velocidad de formaci-n y destrucci-n de la mayora de los enlaces


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covalentes. Esta caracterstica confiere a los enlaces de #idr-geno una gran venta1abiol-gica en lo que se refiere a las reacciones biomoleculares.3RO3IEDADES DISOL4ENTES DEL AGUA

El agua, por su naturale)a dipolar, disuelve o dispersa muc#as sustancias> es un disolvente

muc#o me1or que la mayor parte de los lquidos corrientes. Duc#as sales cristali)adas yotros compuestos i-nicos se disuelven con facilidad en el agua pero son casi insolubles enlos lquidos apelares, tales como el cloroformo o el benceno. (uesto que la red cristalinade las sales, por e1emplo el cloruro s-dico, se mantiene unida mediante fuertes atraccioneselectrostticas entre iones positivos e iones negativos alternantes, se necesita de unaenerga considerable para separar a estos iones unos de otros. El agua disuelve, noobstante, al 5a2l cristali)ado gracias a las fuertes atracciones electrostticas entre losdipolos del agua y los iones 5aJy 2lque forman los iones #idratados correspondientes,muy estables, y superan con ello la tendencia de los iones 5aJ y 2l a atraersemutuamente.

a solvataci-n i-nica se ve favorecida tambi+n por la tendencia del disolvente a oponersea la atracci-n electrosttica entre los iones positivos y negativos que viene expresada porla constante dielctrica D,definida por la f-rmula&

I K e9e7C @r7

donde&

I K fuer)a de atracci-n entre dos iones de carga opuesta.e9 y e7K las cargas de los iones.r K distancia entre los iones.

El agua posee una constante diel+ctrica muy elevada, comparada con la de disolventesorgnicos /agua =0> metanol > etanol 74> acetona 79,4> benceno 7> #exano 9,$. asfuer)as de atracci-n en el agua existentes entre los iones 5a J y 2l, por e1emplo a unadeterminada distancia, son s-lo un catorceavo de la que mostraran en el benceno> es unfactor que favorece la #idrataci-n de los iones y la desorgani)aci-n de la red cristalina.

Ftro tipo de sustancias que se disuelven en el agua con facilidad son los compuestos noi-nicos pero de carcter polar, tales como los a)cares, alco#oles, alde#dos y cetonas. usolubilidad se debe a la tendencia de las mol+culas de agua a establecer enlaces de#idr-geno con los a)cares y alco#oles y el tomo de oxgeno del grupo carbonilo de los

alde#dos y las cetonas.INTERACCIONES DEL AGUA CON SUSTANCIAS A3OLARES

El agua tambi+n dispersa muc#os compuestos que contienen grupos apelares o #idr-fobosformando micelas, siempre que tales compuestos posean tambi+n grupos fuertemente

polares. Este tipo de interacci-n resulta posible por el establecimiento de enlaces de#idr-geno que, en este caso, no se establecen entre las mol+culas del soluto y deldisolvente, sino entre las mol+culas del disolvente. os compuestos que contienen gruposmuy #idr-fobos y grupos fuertemente polares simultneamente se denominan anfipticos.

as biomol+culas antipticas ms comentes que tienden a formar micelas son cidosgrasos y lpidos polares. Lambi+n, en la mayor parte de las protenas alrededor del 40"


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del total de aminocidos tienen cadenas laterales no polares, tal como el grupo metilo dela alanina, el isoprppilo de la valina, el mercaptometilo de la cistena, el metilo e isobutilode las leucinas, etc.

*n e1emplo sencillo de interacci-n #idr-foba es la sal s-dica del cido Fleico /figura .

El oleato s-dico tiene muy poca tendencia a disolverse en el agua en forma de una disoluci-n molecular verdadera ya que su larga cadena #idrocarbonada es intrnsecamenteinsoluble en el agua. in embargo, se dispersa en el agua con facilidad, formndosemicelas en las que los grupos carboxilo negativamente cargados se #allan expuestos a lafase acuosa y los grupos apolares permanecen ocultos dentro de la estructura micelar.Lales micelas poseen una carga negativa neta y permanecen en suspensi-n debido a sumutua repulsi-n.

as micelas pueden contener centenares y an millares de mol+culas de la sustanciaanfiptica. a locali)aci-n interna caracterstica de los grupos apolares en las micelas es el

resultado de la tendencia de las mol+culas de agua a adoptar el estado de mxima libertad/entropa. En dic#o estado el agua posee una co#esi-n interna enorme a causa de losenlaces de #idr-geno. a inserci-n de una estructura no polar, como una cadena#idrocarbonada, en el agua necesita de energa puesto que las mol+culas de agua que larodean se vern for)adas a adoptar una ordenaci-n ms regular, que posea menos entropao libertad que el agua pura. Es decir, las micelas se forman porque el agua tiene msafinidad por sus propias estructuras que por las no polares.

Agua

Figura 5. Mi#ela de olea"o s(di#o. + gru)os #ar6o,ilo. + gru)os a)olares.

En el interior de las micelas existen fuer)as de atracci-n adicionales entre las estructuras#idrocarbonadas adyacentes, manifestadas por las interacciones de Van der Waalls.(or noexistir un enlace estequiom+trico verdadero entre los grupos no polares de una micela esms apropiado emplear el t+rmino de interacci-n #idr-foba que el de enlace #idr-fobo

para referirse a la asociaci-n de las porciones #idr-fobas de las mol+culas antipticas. Encomparaci-n con los enlaces de #idr-geno, las interacciones #idr-fobas poseen pococarcter direccional pero tienden producir sistemas de elevada estabilidad.

EFECTOS DE LOS SOLUTOS EN LA ESTRUCTURA DEL AGUA


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a presencia de un soluto i-nico, como el 5a2l, origina un cambio en el agua lquida, yaque cada uno de los iones 5aJy 2lse #alla rodeado de una capa de dipolos de agua. Estosiones #idratados poseen una geometra algo diferente a la de las agrupaciones demol+culas de agua pura unidas por enlaces de #idr-geno. as distancias interi-nicasmedias en disoluciones acuosas de un soluto disminuyen a medida que aumenta la

concentraci-n del soluto.. En el 5a2l, por e1emplo, cuando su concentraci-n es de 0,9% D/concentraci-n aproximada en el plasma sanguneo, los iones 5aJ y 2l se #allanseparados 9,$ nm. (uesto que cada ion 5aJy 2l #idratado posee un dimetro de 0,% a 0,!nm, y un agrupamiento tetra+drico de cinco mol+culas de agua que tiene un dimetro deaproximadamente 0,% nm, est claro que debe #aber un cambio considerable en laestructura tridimensional y en las propiedades del agua lquida cuando se disuelve 5a2Men ella. as sales rompenla estructura del agua.

El efecto de un soluto en el disolvente se manifiesta tambi+n en las propiedadescoligativas /presi-n osm-tica, punto de ebullici-n, punto de congelaci-n, presi-n devapor, etc. de las disoluciones, las cuales dependen del nmero de partculas del soluto

por unidad de volumen del disolvente. os solutos producen efectos caractersticos en eldisolvente tales como el descenso del punto de congelaci-n, la elevaci-n del punto deebullici-n y la disminuci-n de la presi-n de vapor. 2onfieren tambi+n a la disoluci-n la

propiedad de la presi-n osm-tica.

EFECTOS DE LOS SOLUTOS EN LA ESTRUCTURA DEL HIELO

a cantidad y la clase de soluto influyen en el tamaHo, estructura, locali)aci-n y orientaci-n de los cristales del #ielo. e #an reali)ado varios estudios sobre la naturale)a de loscristales de #ielo en presencia de distintos solutos /glicerol, gelatina, albmina, miosina,etc.. 2on estos solutos se forman cuatro tipos de estructura principalmente& formas#exagonales, dendritas irregulares, esf+rulas toscas y esf+rulas evanescentes. 5o obstante,tambi+n pueden formarse una gran variedad de tipos intermedios.

a forma #exagonal es la normal, con una ordenaci-n ms perfecta> parece ser que se daen las muestras que se congelan a una temperatura moderadamente ba1a /no en la congelaci-n rpida. a forma #exagonal es reproducible con todos los solutos anteriormentecitados excepto con la gelatina. 2on este soluto la estructura del #ielo posee un desordenmayor que en la forma #exagonal. as disoluciones de gelatina forman cristales de #ielocbicos o vitreos que llegan a ser ms abundantes a medida que se incrementa lavelocidad de congelaci-n o la concentraci-n de gelatina. Aparentemente la gelatina, que

es una mol+cula de gran tamaHo, comple1a e #idr-fla, puede restringir el movimiento delas mol+culas de agua y la facultad que tienen para formar estructuras #exagonales.

En general, puede decirse que aunque se pueden formar estructuras diferentes a la #exagonal en los alimentos y material biol-gico, no son #abituales.

ACTI4IDAD DE AGUA

El agua es, probablemente, el factor individual que ms influye en la alterabilidad de losalimentos. (or otra parte, est perfectamente demostrado que alimentos con el mismocontenido en agua se alteran de forma distinta, de lo que se deduce claramente que la

cantidad de agua por s sola no es un fiel indicativo, de deterioro de los alimentos. 2omoconsecuencia de este #ec#o, surgi- el concepto de actividad de agua /a , que #a sido


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muy valorado en estudios sobre alteraciones de alimentos por estar directamenterelacionado con el crecimiento y actividad metab-lica de los microorganismos y con lasreacciones #idrolticas.

a utilidad de la a #a sido, a veces, devaluada debido a que no siempre se puede prede

cir totalmente el crecimiento microbiano, ya que la respuesta de los microorganismos esdiferente dependiendo del soluto que sea responsable del valor de a. in embargo, ent+rminos generales puede decirse que gracias a este concepto se puede calcular laestabilidad de muc#os alimentos, me1orar procesos de concentraci-n y des#idrataci-n dealimentos e, incluso, diseHar nuevos productos ms estables.

El t+rmino de aindica la intensidad de las fuer)as que unen el agua con otros componentes no acuosos y, en consecuencia, el agua disponible para el crecimiento de microorganismos y para que se puedan llevar a cabo diferentes reacciones qumicas y bioqumicas.

2uando se aHade un soluto al agua pura, las mol+culas de agua se orientan en la superficie

del soluto y se interrelacionan con +l. 2omo consecuencia, disminuye el punto decongelaci-n, aumenta el punto de ebullici-n y disminuye la presi-n de vapor segn la leyde Naoult que dice& ?la disminuci-n relativa de la presi-n de vapor de un lquido aldisolverse en +l un soluto es igual a la fracci-n molar del solvente?.

a expresi-n matemtica de la ley de Naoult es&

( C (o K n7C n9 J n7

donde&

PK presi-n de vapor de la soluci-n.PoK presi-n de vapor del agua pura.n9K moles de soluto.n7K moles de solvente.

a actividad de agua se define como la relaci-n existente entre la presi-n de vapor de unasoluci-n o de un alimento /( con respecto a la presi-n de vapor del agua pura /(o, a lamisma temperatura.

aOK ( C (0

El agua presente en los alimentos e1erce, por lo tanto, una presi-n de vapor que dependede la cantidad de agua, de la concentraci-n de solutos en el agua y de la temperatura.

Evidentemente, si no #ay solutos, como es el caso del agua pura, la relaci-n entre laspresiones es la unidad> en consecuencia, la aOde todos los alimentos es siempre inferior auno. Este descenso se explica porque los constituyentes qumicos que estn presentesinmovili)an parcialmente el agua, con lo que disminuye su capacidad de vapori)aci-n y sureactividad qumica.

En realidad, la aOes la relaci-n entre la fugacidad del disolvente en la disoluci-n (f)res

pecto a la fugacidad del disolvente puro /f0, entendiendo por fugacidad la tendencia quepresenta un disolvente a escapar de una soluci-n. in embargo, a ba1as presiones, como es


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la presi-n ambiental, la deferencia entre la fugacidad y la presi-n de vapor es tan pequeHa/inferior a 9" que normalmente se #abla de presiones. era, por lo tanto, ms correctoexpresarlo como&

aOK f f0 ( C (0

@ado que lo que se mide realmente son las presiones y a veces no coincide totalmente conla aO, algunos autores #an indicado que sera ms ra)onable utili)ar el t+rmino presi!n de"apor relati"a (P#Po).in embargo, dado lo extendido que est el t+rmino de a Oen lacomunidad cientfica y la poca diferencia que representa, en este libro se #a preferidoutili)ar dic#o t+rmino.a aOde un alimento y la #umedad relativa del ambiente en el que se encuentra tiendensiempre a equilibrarse, por lo que a menudo, se expresa como #umedad relativa deequilibrio /" /3NE&

aOK$%'

a relaci-n entre aO y el contenido en #umedad de un alimentoviene determinada por la ecuaci-n PEL /Prunauer, Emmett, Leller&

aO C D /9 aO K 9 C D92 J aO/2 l C D92

donde&

D K #umedad del producto /gC900 g de materia seca.D9Kcontenido en agua correspondiente a la capa

monomolecular /gC900 g de materia seca.2 Kconstante relacionada con el calor de adsorci-n del agua

retenida.

El valor de la capa monomolecular, denominada monocapa &*,

representa el contenido de #umedad al cual el alimento es msestable. A contenidos ms ba1os, puede #aber oxidaci-n lipdica,mientras que a contenidos mayores pueden existir actividadesen)imticas, no en)imticas y microbianas.

Nealmente, la ecuaci-n PEL no permite ofrecer resultados precisosen todo el intervalo de actividad de agua de un alimento, debidofundamentalmente a que los tratamientos aplicados a los alimentos

durante su elaboraci-n pueden alterar las propiedades de sorci-n deagua de sus constituyentes. Adems, durante la adsorci-n de agua,


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los componentes de los alimentos pueden experimentar cambios ensu estructura, constituci-n, etc. a ecuaci-n PPL s-lo se confirmaexperimentalmente a valores de aOcomprendidos entre 0,0% y 0,40.

Existen otras ecuaciones que tambi+n relacionan estos dosparmetros> todas ellas pueden reproducir con cierto +xito los datosde #umedad en equilibrio pero ninguna proporciona resultados paraun alimento en todo el intervalo de aO.

2omo se #a indicado, cuando se define la actividad de agua es necesario especificar latemperatura ya que estos valores son temperatura dependientes. A medida que +sta aumenta, lo #ace la aOporque aumenta la presi-n de vapor. i se representa la aOde un alimentocon un contenido de agua constante, respecto a la temperatura se obtiene una lnea recta,

/figura 4 pero s-lo en un intervalo de temperatura.


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Figura 7. Re)rese$"a#i($ esque!"i#a de la rela#i($ e$"re a#"i8idad de agua 9

"e)era"ura de u$a ues"ra de"eri$ada.

2uando el alimento se aproxima al punto de congelaci-n aumenta la pendiente de la recta,lo que indica claramente que la influencia de la temperatura en la aOes muc#o mayor atemperaturas de congelaci-n e inferiores. 2uando un alimento se congela se van formandocristales de #ielo prcticamente puro, mientras que los solutos migran a la fase lquidadonde se concentran cada ve) ms. (or lo tanto, la aOde los alimentos congelados, esdecir, en presencia de #ielo, depende fundamentalmente de la temperatura y no influye eltipo de solutos que se encuentran presentes. (or el contrario, en los alimentos nocongelados depende sobre todo de la composici-n y, en menor medida, de la temperatura.En consecuencia, la informaci-n que aporta este valor en los alimentos a temperaturas

subcriosc-picas es muc#o menor puesto que no est relacionada con la presencia desolutos. Adems, #ay que aHadir que el valor de la aOde los alimentos congelados esmenos indicativo de alterabilidad, ya que las temperaturas de congelaci-n influyen pors+solas en la viabilidad de los microorganismos y en las reacciones qumicas y bioqumicas.

ISOTERMAS DE SORCION DEL AGUA

as isotermas de sorci-n de agua son grficas que relacionan el contenido en agua de unalimento con su actividad de agua, o lo que es lo mismo, en funci-n de la #umedadrelativa de la atm-sfera que rodea al alimento, una ve) alcan)ado el equilibrio y a unatemperatura constante /figura %.

a grfica predice claramente que ligeras variaciones en la #umedad de un alimento conun alto contenido en agua influye muy poco en su aO. in embargo, a contenidos de aguams ba1os, lo #ace de una forma significativa. Aumentando la escala /figura 6 se puedever lo que ocurre en alimentos muy secos& pequeHas variaciones en la #umedad provocangrandes cambios en la aO.

a mayora de las isotermas de sorci-n de agua de los alimentos presentan una formasigmoidea con pequeHas variaciones segn la estructura fsica, composici-n qumica,temperatura y capacidad de retenci-n de agua del alimento. in embargo, #ay alimentos

que presentan en la primera parte de la curva una )ona ms plana> estas curvas, en formade ;, son tpicas de alimentos con un gran contenido en a)car y solutos, que presentan


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poca adsorci-n porcapilaridad, como las frutas y confituras.

En las isotermas de sorci-n de agua se pueden distinguir tres )onas poco delimitadas queindican la forma en que el agua se encuentra ligada a los alimentos /figura 6&

'ona a).Es el agua ms fuertemente ligada y menos m-vil. e corresponde con el aguade la capa monomolecular fi1a a los grupos polares de ciertos compuestos, especialmente a53Jy 2FFde las protenas y a los grupos F3de los almidones, as como al agua decristali)aci-n de a)cares y sales. Es muy difcil extraer, no es congelable y no seencuentra disponible para actuar como disolvente o reactivo. 2onstituye una cantidad muy

pequeHa del agua total de un alimento y corresponde a una aOinferior a 0,7 0,. El lmiteentre las )onas A y P es la denominada monocapa PEL.

' ona b). 2omprende el agua correspondiente a las capas de #idrataci-n de losconstituyentes solubles, es decir, protenas, sales, a)cares, etc. Est ligada por puentes de#idr-geno e interacciones dipolodipolo o retenida fsicamente en microcapilares de

dimetro inferior a 9 u.m. El punto de congelaci-n y la capacidad solvente se encuentranmuy reducidos. a aOest comprendida entre 0,70 0,0 y 0,=0, aproximadamente.


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ona c).Nepresenta la mayor parte del agua de los te1idos frescos. Es el agua menosligada y ms m-vil de los alimentos aunque el punto de congelaci-n est algo disminuido.e encuentra retenida fsicamente en membranas, capilares /dimetro superior a 9 u,m,geles, etc., por lo que se puede eliminar fcilmente por diversos procedimientos. uretenci-n est determinada por el p3 y las fuer)as i-nicas. Es la responsable de la

alteraci-n de los alimentos ya que est disponible para el desarroll- de microorganismos ylas reacciones qumicas. Equivale a una a de 0,=00,$$>

Al representar las isotermas de sorci-n de agua de un alimento es necesario indicar a latemperatura que #an sido construidas. -gicamente, si la aO es dependiente de latemperatura, +sta influir tambi+n en las isotermas de sorci-n /figura !. Esta dependencias-lo es importante a valores de aOinferiores a 0,40,%. En la figura se observa que para unmismo contenido en agua, la aOaumenta a medida que lo #ace la temperatura.

i se sita un alimento en un ambiente con una #umedad relativa /3N superior a la #umedad relativa de equilibrio /3NE del alimento, +ste fi1ar vapor de agua tendiendo aalcan)ar el equilibrio, es decir, adsorber agua. i, por el contrario, el alimento se colocaen un ambiente cuya 3N sea inferior a la 3NE correspondiente al contenido de agua del

producto, +ste ceder agua mediante el proceso llamado desorci-n. En general, la isotermade adsorci-n para un producto determinado no es superponible a la isoterma de desorci-n.Esta falta de coincidencia de las dos grficas se conoce como histre-sisde las isotermas

de sorci-n de agua y se detecta sobre todo en la )ona intermedia de las grficas /figura =.a magnitud de la #ist+resis es variable y depende de diferentes factores como son lanaturale)a del alimento, los cambios fsicos ocurridos cuando se aHade o elimina agua, elgrado de desorci-n, la cantidad de agua eliminada durante la desorci-n y la temperatura /amedida que disminuye se #ace ms evidente.

os alimentos con una aOdeterminada, a una temperatura constante, siempre presentanmayor contenido de agua durante la desorci-n que en la adsorci-n.

os principales argumentos que se #an ofrecido para explicar este fen-meno no totalmente aclarado son&


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a)@urante la desorci-n el alimento desprende agua que estaba ms o menos ligada, esdecir, agua que no est totalmente libre. in embargo, en la adsorci-n el agua captada notiene o tiene menos puntos a los que unirse debido a las interacciones de losconstituyentes no acuosos durante la desorci-n, por lo que el agua se encuentra ms libre.2on el mismo contenido en agua #ay ms agua libre en la adsorci-n o, lo que es lo mismo,

la actividad de agua es mayor en la adsorci-n.

b)El alimento retiene agua dentro de los capilares> durante la adsorci-n, el agua captadatiene ms dificultad para entrar ya que la presi-n de vapor de agua que se necesita paraque penetre en los capilares es mayor que para que salga, por lo que con el mismocontenido en #umedad en la adsorci-n #ay ms cantidad de agua fuera de los capilares yen la desorci-n dentro de ellos. Adems, durante la desecaci-n, los capilares se puedenobstruir y disminuir el dimetro interior. Lambi+n influye la viscosidad del producto, quees mayor en la adsorci-n que durante la desorci-n, debido al menor contenido en agua.

Este fen-meno es de especial importancia en aquellos productos des#idratados que necesitan ser re#idratados para su comerciali)aci-n. (resentarn una actividad de agualigeramente superior a la esperada con el consiguiente peligro de deterioro. Qgualmente, esnecesario tenerlo en cuenta en los alimentos envasados que sean muy #igrosc-picos.

A3LICACIONES DE LAS ISOTERMAS DE SORCION EN TECNOLOGIA DE

LOS ALIMENTOS

as isotermas de sorci-n de agua de los alimentos son de gran utilidad en diferentes aspectos&

9. (ermiten evaluar la estabilidad de los alimentos. a disminuci-n de la aO frena elcrecimiento de los microorganismos /en este orden& bacterias, levaduras y mo#osde tal forma que se detiene totalmente a valores de 0,6 o inferiores. Qgualmente, lavelocidad de las reacciones qumicas que tienen lugar en un alimento, tantoen)imtico como no en)imtico, est en funci-n de la cantidad de agua disponible.

A medida que disminuye la aO, la velocidad de reacci-n se va #aciendo ms lenta.A valores comprendidos entre 0,70 cesan completamente. a excepci-n la


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constituye la oxidaci-n lipdica, que es mnima a estos valores pero aumenta amedida que sigue descendiendo la aO (or tanto, la mxima estabilidad de los alimentos se da en estos valores.

7. (ermiten prever la aO de me)clas de diversos ingredientes. iempre existe un

intercambio de agua de un componente a otro de un alimento para llegar al equilibrio. as isotermas permiten conocer la aO de los componentes de la me)cla y, enconsecuencia, la estabilidad de cada uno de ellos y, por lo tanto, de la me)cla.

. (ermiten estimar el tiempo mximo de almacenamiento de un producto en unenvase, con una permeabilidad al vapor de agua conocida, en funci-n de la cantidadde agua adsorbida. Qgualmente, se puede establecer el comportamiento de unalimento en distintas condiciones de almacenamiento.

4. (ermiten me1orar los procesos de conservaci-n basados en la reducci-n del Rcontenido en agua puesto que mediante las isotermas de sorci-n podemos deter

minar cul es el contenido de #umedad residual -ptima para un alimento determinado. i la #umedad es demasiado elevada el producto presentar menorestabilidad, mientras que si la #umedad final es muy ba1a representa un gastoadicional en la operaci-n. a facilidad o dificultad para eliminar agua de un alimento est relacionada con la aO.

%. (ermiten determinar la temperatura -ptima de almacenamiento de productoscongelados, estableciendo una relaci-n entre +sta y la aO. a inmovili)aci-n delagua en forma de #ielo y el consiguiente aumento de la concentraci-n de solutos enel agua no congelada disminuye la actividad de agua del alimento.

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RESUMEN

9. El agua es la sustancia mas abundante en los seres vivos y, por lo tanto, en losalimentos. as propiedades fsicas del agua y del #ielo son muy an-malas encomparaci-n con los de otras sustancias de masa molecular similar, y derivan de las

fuertes interacciones moleculares entre las mol+culas de agua.

7. En estado lquido, las mol+culas de agua originan tetraedros unidos por enlaces de#idr-geno que se forman y destruyen a gran velocidad. a diferencia entre laestructura del agua y del #ielo se debe a la velocidad de formaci-n y destrucci-n deestos enlaces ms que a la cantidad de los que se establecen.

. a capacidad de establecer enlaces de #idr-geno y la polaridad de la mol+cula deagua #acen de ella un gran disolvente tanto para compuestos i-nicos como noi-nicos de carcter polar. El agua dispersa tambi+n mol+culas antipticas, formandomicelas que son agrupaciones de mol+culas en las que los grupos #idr-fobos per

manecen ocultos en la estructura micelar y los grupos polares se #allan expuestos ala /ase acuosa.

4. El contenido de agua de los alimentos es uno de los factores individuales que msinfluye en su alterabilidad, aunque alimentos con el mismo contenido en agua

pueden sufrir un proceso de alteraci-n diferente.

%. a actividad de agua se define como la relaci-n entre la presi-n de vapor de unproducto y la presi-n de vapor del agua pura, a la misma temperatura. a actividadde agua determina el agua que en un determinado alimento se encuentra disponible

para el crecimiento microbiano y el progreso de diferentes reacciones qumicas ybioqumicos.

6. as isotermas de sorci-n de agua son grficas que relacionan, a una temperaturaconstante, el contenido en agua de un alimento con su actividad de agua, una ve)alcan)ado el equilibrio> son propias de cada grupo de alimentos y permiten estimarla estabilidad de un producto frente a los diversos agentes alterantes.

constantes fisicas del agua y del hielo

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