EL AGUA

IMPORTANCIA Y ESTRUCTURA DEL AGUA

Disolvente, Reactante y Estabilizante

Constituye :Proporción 60% en el organismo humano (metabolismo) En alimentos en estado natural (excepto granos).Contribuye a la apetencia (textura de frutas, hortalizas, carnes).Turgencia de células y asociación específica y compleja con otros constituyentes.Responsable del deterioro de los alimentos.

Su contenido es fundamental en los métodos de conservación:

DisponibilidadEliminación (secado, congelación)Interacción con aditivos para preservar (NaCl, azúcar, etc)

H

O H

O H

HH

HOH

H

O

H

H

O

109.28º

Configuración tetrahédrica

3.6 moléculas a 0 ºC

Estructura de la molécula de agua

H O H

Forma de la molécula

104.5º

Pares electronicosNo compartidos

Estructura de Lewis

Los pares no compartidos de electrones repelen a los pares adyacentes de electrones, por lo cual el enlace H-O-H es de 104.5º

En el H2O el oxígeno esta rodeado de cuatro regiones de densidad electrónica: dos de estas regiones contienen pares de electrones que se usan para formar enlaces covalentes con dos hidrógenos y otros dos con electrones no compartidos. La forma es tetraédrica

OH H

Orientación de la polaridad

El agua tiene enlaces polares

Estados FísicosGas, Líquido y sólido (1 atm).Los estados físicos están en función de la temperatura y presión

PROPIEDADES Y CONTENIDOPropiedad0 20ºC 0ºC 0ºC (hielo) -20ºC

Densidad (g/mL) 0.99821 0.99984 0.9168 0.9193

Viscosidad (Pa*s-1) 1.002x10-3 1.793x10-3

Presión de vapor (kPa) 2.3388 0.6113 0.6113 0.103

Constante Dieléctrica 80.20 87.90 90 98FIS

ICO

QU

ÍMIC

AS

ALIMENTO AGUA (%)Carnes

De cerdo, cruda, cortes magrosVacuna, cruda, cortes de ventaDe Pollo, de todas clases, crudaPescado, proteínas musculares

53-6050-70

7465-81

FrutasCerezas, perasManzanas, melocotones, Naranjas, UvasFresas, Tomates

80-8590-9590-95

HortalizasAguacates, Platanos, ChicharosRemolacha, Zanahoria, papasEspárragos, Coliflor, Lechuga

74-8085-9090-95

ALI

ME

NTO

S

OTRAS PROPIEDADESH2O H2S H2Se H2Te

P M (g/mol) 18 34 81 130

T fus. (ºC) 0 -86 -64 -57

T eb. (ºC) 100 -61 -42 -2

Intervalo Líquido 100 25 22 55

Compuesto Q vap. (cal/g) ε (20ºC)H2O 538.7 80Metanol 263.0 33Etanol 205.0 24Acetona 125 21.4Cloroformo 59Benceno 2.3Hexano 1.9

Excepto en el agua, a medida que se reduce el peso molecular la TFUS y TEB diminuyen.

Se necesita mucha energía para vaporizar poca agua.

La vaporización de poco agua es suficiente para sustraer mucho calor.

La medida de un disolvente a oponerse a las fuerzas electrostáticas de atracción, entre iones, que evita su unión.

221

DreeF ⋅

=

ESTRUCTURA DEL HIELOEl agua cristaliza en su configuración tetrahédrica abierta (109.0º), cuando es 109º.28’

Bipiramidal Hexagonal

Consecuencia menor densidadExisten otras 11 estructuras menos establesNo hay cristalizados perfectosEl hielo es el mejor conductor de electricidad (2.240 J /ms K)

Enlace covalente H-O= 460 kJ/molEnlace Puente de H= 13 a 25 kJol/mol

0.177nm

0.0965nm

Densidad del Agua

0.930

0.940

0.950

0.960

0.970

0.980

0.990

1.000

-40 -20 0 20 40 60 80 100

T (ºC)

Den

sida

d (g

/cm

3 )

Consecuencia menor densidad y una máxima densidad

CONGELACION-DESCONGELACIÓN

Consecuencia menor densidad

En el hielo 100% de las moléculas establecen puentes de hidrógeno y en el vapor es cero.

A 37 ºC se establece 35-47% de los puentes de hidrógeno.

La retención de agua se da por su interacción con otros compuestos

C

O

HO

H

O

H

HHO

S

H

HHO

N

H

H

HHO

C

OH

O

HHO

AGUA NO CONGELABLELeche descremada

(9.3%sólidos)Leche descremada concentrada

(26% sólidos)

T (ºC)Agua

No congelable (%)

Sólidos enSolución

(%)

AguaNo congelable (%)

Sólidos enSolución

(%)

-24 4 72.0 12.0 74.5

-20 4.5 69.5 14.0 71.5

-16 5.0 67.1 15.5 69.4

-12 5.5 65.2 19.0 54.8

-8 7.5 57.8 26.0 57.5

-4 12.5 45.1 47.0 42.8

-2 25.0 25.0 80.0 30.5

INTERACCIÓN CON PROTEINAS

Agua asociada a grupos polares

Agua asociada orientada

Grupos hidrófobos

Tipos de Puentes de hidrógeno

OTROS SOLUTOS

AGUA COMO DISOLVENTE

OTROS DISOLVENTES

El agua como solvente (iones)

El agua como solvente (Biomoléculas)

Cada molécula de agua obliga a los lipidos a ordenarse

Menos moléculas de agua, aumenta la entropía

Agrupamiento (micelas) mayor entropia

El agua como solvente (Catálisis)

Osmosis

Movimiento del agua a través de una membrana semipermeable por diferencia de concentraciones.

Isotónica: solución de igual osmolaridad (no gana ni pierde agua)

Hipertónica: solución de más alta concentración (la célula se reduce por la salida de agua)

Hipotónica: solución de concentración baja (la célula se hincha por la entrada de agua)

Ionización del aguaEl agua tiene un pequeño grado de ionización

En términos del equilibrio

A 25ºC la concentración de agua es 55.5 M, y su Keq=1.8x 10-16

Por lo que Kw= [H+][OH-]=1.0x 10-14 M2

Cuando [H+] =[OH-] podemos despejar:[H+]2=1 x 10-14= 1x10-7MAsí el pH=7

H2O H++ OH -

[ ][ ][ ]OH

OHHKeq2

−+

=

Escala de pH

Acidos y bases conjugados

INTERACCIONES AGUA-SOLUTO

Agua Ligada e HidrataciónTendencia del agua a asociarse con otra sustancias hidrofílicas o material celular.Entidad heterogénea, fácilmente identificable, de movilidad restringida, correspondiente a la primera capa de moléculas, no congela a -40ºC, no actúa como solvente

Capacidad de Retención Eficacia de una matriz (macromoléculas) de atrapar físicamente grandes cantidades de agua (atrapada).

Principales características del agua atrapadaSe elimina fácilmente durante la desecación y se convierte en hielo durante la congelaciónTiene efectos importantes sobre la calidad de los alimentos

Actividad de Agua (aW)El agua en tejidos animales y vegetales esta como agua ligada o libre, más o menos fuertemente unida.

Una medida de la disponibilidad de agua en alimentos es aW (una medida del descenso de la presión parcial de agua).

La asociación de agua se ve afectada por:

La asociación entre especies químicasDisociación incompleta de electrolitosFuerzas que actúan sobre la estructura del agua

ºW

WW P

Pa =

PW : Presión parcial de vapor de agua de una solución o alimento

PWº : Presión parcial de vapor de agua pura a la misma temperatura

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

-50 -40 -30 -20 -10 0T (ºC)

P (t

orr)

PWº L (torr)

aW=(PWº L/PW H)

PW H (torr)

T (ºC) PWº L (torr) PW H (torr) aW=(PWº L/PW H)

0 4.579 4.579 1.000

-5 3.163 3.013 0.953

-10 2.149 1.95 0.907

-15 1.436 1.241 0.864

-20 0.943 0.776 0.823

-25 0.607 0.476 0.784

-30 0.383 0.286 0.747

-40 0.142 0.097 0.683

-50 0.048 0.03 0.625

Actividad de Agua (aW)

HR: Humedad relativaF: Fugacidad (medida de una sustancia a escaparsema: moles de aguams: moles de soluto

sa

aRW mm

mFFH

PPa

+====

00 100

DISTRIBUCIÓN DE AGUA

La estabilidad de los alimentos depende del contenido de agua libre

Desarrollo de microorganismosReacciones enzimáticasReacciones químicas

Distribución heterogénea

Diferentes estados energéticosAgua libre o congelableAgua ligada o no congelableZona I, II y III

Zona I (Agua Constitucional)

Fuertemente unidaInmóvilInteracciones agua-ión o agua dipoloNo congela a -40ºCNo actúa como solventeaW= 0.20.03 del agua total en las moléculas

Capa BET

Límite entre zonas I y II

Agua de la monocapaCantidad de agua necesaria para formar una monocapa sobre sitios altamente polares de la materia seca

Cantidad de agua que puede estar fuertemente unida a la materia seca

Zona II

Multicapa (0.5%)

Vecinal (2.0-3.0 %)Se localiza en capas externasaW superior a 0.3La mayor parte no congela a -40ºCPropiedades como solvente reducidasMovilidad reducidaPuentes de hidrógeno agua-agua y agua soluto

Zona III (agua libre o atrapada)

Atrapada en macrocapilaresContiene solutos de bajo PMFácil de congelarPropiedades de solvente similar al agua puraSu eliminación reduce la aW a 0.8Representa el 95% del agua Zona IIB y III: el agua es suficiente para completar una cubierta de hidratación en torno a las moléculas (monocapa verdadera)

INFLUENCIA TEMPERATURAEl valor de aW se incrementa cuando se eleva la temperatura puesto que igualmente lo hace la presión de vapor

0.25

0.0

1.0

0.8

Agua no disponible

Agua Menos disponible

Agua Muy disponible

No

elim

inab

le

Elim

inab

lepo

rco

ngel

ació

nE

limin

able

por

Con

gela

ción

yev

apor

ació

n

aW

ESTRUCTURA DE LOS ALIMENTOSLÍQUIDO

LÍQUIDO VISCOSO

SÓLIDO CRISTALINO EN EQUILIBRIO

SÓLIDO VITREO AMORFO: DULCES, CEREALES, ALGODÓN

Cambios que ocurren en alimentos en función del contenido de agua

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

Vel

ocid

ad re

lativ

a de

reac

ción

Actividad acuosa

Con

teni

do h

umed

ad

a

b c

d

e f

g h

Zona I Zona II Zona III

a. Oxidacion de lípidosb. Reacciones hidrolíticasc. Oscurecimiento enzimáticod. Isoterma del contenido de humedade. Actividad enzimáticaf. Crecimiento de hongosg. Crecimiento de levadurash. Crecimiento de bacterias

Isotermas de adsorción y desorciónaW es una propiedad intrinsecay se relaciona con la HR.Por ello no hay que confundir el contenido de agua con aW

Relación no lineal

HR y T

Absorción

Desorción

Keqt0

t1

PW

HISTERESISEl fenómeno en el cuál el proceso de adsorción de un alimento para adquirir agua del ambiente, no sigue un mismo patrón para deshidratarse o desorber el agua a T y HR constantes

Debido a que el secado produce daños se alteran grupos polares de moléculas, lo que provoca la nula interacción con el agua

Desorción

20 40 60 80 100

A

B C

Adsorción

Humedad relativa o aW

Con

teni

do d

e ag

ua(g

H2O

/100

g de

mat

eria

sec

a)

10

100

Ecuación de Clausius Clapeyron

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

21

11ln2

1

TTRQ

aa S

W

W

( )CM

CaCMaM

a W

W

W

11

11)1(

−+=

−

aW : actividad de agua (g agua/ 100 g de materia seca)QS : temperatura de adsorción-desorción (cal/ mol o J/mol)T : temperatura (K)R : constante gas ideal.

A humedad constante

Ecuación Brunauer, Emmett y Teller (isoterma BET)

aW :actividad de agua (g agua/ 100 g de materia seca)M :Contenido de agua del producto (g agua/ 100 g de materia seca)M1 :Contenido de agua correspondiente a la capa monomolecular (g agua/ 100 g de materia seca)K : Constante de velocidad de adsorción-desorción depende del orden

RTQS

xpKC l⋅=

ACTIVIDAD ACUOSA Microorganismos

Organismo Mínima Organismo Mínima

Mayoría de las bacterias dañinas 0.91 Salmonella 0.95

Mayoría de las levaduras dañinas 0.88 Clostridium botulinum 0.95

Mayoría de los hongos dañinos 0.80 Escherichia coli 0.96

Bacteria halófilas 0.75 Staphylococcus aureus 0.86

Levadura osmófila 0.60 Bacillus subtilis 0.95

La aW influye en el crecimiento de los microorganismos, con ello se puede propiciar o inhibir, junto con la temperatura, pH y oxígeno.

Los métodos de conservación se basan en la reducción y control de la actividad acuosa (concentrados o deshidratados).

Esto estabiliza los alimentos.

MÉTODOSF:calentamientot :enfriamientoRVP: presión de vapor relativapH: acidificaciónEh: pontencial redoxCons: conservantesN: nutrientes

PARA CONTROLARMICROORGANISMOS

SOLUTOSSal (NaCl, KCl, Fosfatos)Azúcares (sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa, lactosa)Ácidos (fosfórico, citrico, ascórbico, fumárico)Hidrolizados de ProteínaAminoácidos (alanina, glicina)