LUIS A. BRUMOVSKY
LUIS A. BRUMOVSKY
INGENIERO QUÍMICO INGENIERO QUÍMICO
MAGÍSTER EN TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS MAGÍSTER EN TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS
DOCTOR EN CIENCIAS TÉCNICAS DOCTOR EN CIENCIAS TÉCNICAS
PROFESOR TITULAR DE BROMATOLOGÍA Y NUTRICIÓN FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS QUÍMICAS Y NATURALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES 2015
EL AGUA Y LA CONSERVACIÓN
EL AGUA Y LA CONSERVACIÓN
DE LOS ALIMENTOS
DE LOS ALIMENTOS
Contenido de agua de varios alimentos
Alimentos Contenido de H2O (%) Carnes Carnes Cerdo 53 - 60 Vaca 50 - 70 Pollo 74 Pescados 65 - 81 Frutas Frutas Cerezas, peras 80 - 85Manzanas, duraznos, cítricos 85 - 90
Frutillas, tomates 90 - 95
Vegetales Vegetales
Palta, banana, arvejas 74 - 80 Remolacha, papa, zanahoria 80 - 90 Espárragos, judías, coles 90 - 95
Actúa en los tejidos como:
Estabilizadora de la temperatura
Portadora de nutrientes y productos de desechos
Reactivo, catalizador y medio de reacción
Estabilizadora de la conformación de biopolímeros
La conservación de todo alimento deshidratado o congelado
depende de las características del agua (líquida o sólida)
La textura
El color
El aroma y sabor
La susceptibilidad al deterioro de los alimentos
Influye en
Influye en
Los alimentos con altos contenidos de agua necesitan una forma
efectiva de preservación para almacenarlos por largos tiempos.
Nivel
Nivel macroscópico
macroscópico::
Agua
Agua ligada
ligada e
e hidratación
hidratación
Son términos similares y se refieren a la tendencia del agua a
asociarse con diferentes grados de tenacidad a sustancias hidrofílicas.
Capacidad
Capacidad de
de retención
retención de
de agua
agua
Es la capacidad de una matriz de macromoléculas para atrapar
grandes cantidades de agua de tal manera que se evite la exudación
bajo la aplicación de una fuerza externa.
(geles de pectina, de almidón y los tejidos vegetales y animales).
Principales características del agua atrapada:
Se elimina fácilmente durante la desecación
Se convierte fácilmente en hielo durante la congelación
Está disponible fácilmente como disolvente
Agua
Agua ligada
ligada::
Es el agua que existe en la vecindad de solutos y otros
constituyentes no acuosos y como resultado de su
localización
tiene
propiedades
que
están
alteradas
significativamente de las del “agua masiva” o “agua
global” en el mismo sistema.
Nivel
Nivel molecular
molecular
La adición de solutos al agua determina la alteración de las
propiedades de ambos constituyentes si se compara con sus
propiedades cuando no están mezclados.
Tiene movilidad restringida en comparación con el agua masiva,
pero no está inmovilizada.
En un alimento de alta humedad el agua ligada representa sólo
una pequeña parte del total de agua presente.
Corresponde aproximadamente a la primera capa de moléculas
de agua adyacentes a los grupos hidrofílicos.
No congela a – 40 ºC.
No puede actuar como solvente de los solutos añadidos.
Características principales:
Ejemplos de la proporción de agua congelada en algunos
alimentos en función de la temperatura
ACTIVIDAD
ACTIVIDAD DELDEL AGUAAGUA ((aw))
Se ha observado que diversos alimentos con el mismo contenido de agua difieren significativamente en su susceptibilidad a la alteración.
El contenido de agua no es un indicador fiable de la alteración. Esta discrepancia puede atribuirse a:
La diferencia de intensidad con que las moléculas de agua se asocian con los constituyentes no acuosos, no participando en actividades degradativas como:
Crecimiento de microorganismos. Reacciones hidrolíticas.
El término awse implantó para tener en cuenta la intensidad con que el agua se asocia a los diferentes componentes no acuosos.
La estabilidad, sanidad y otras propiedades de los alimentos pueden predecirse en forma más realista a partir de la aw que en función del contenido de agua.
La actividad del agua se define de la siguiente manera: a
aww= f/= f/fofo (1) Donde ff es la fugacidad del solvente y fofo la fugacidad del solvente puro. A bajas presiones f/f/fofo ~~ p/p/popo, así:
a
aww= p/= p/popo (2) Donde, aawwes la actividad del agua, pp es la presión parcial del agua encima de la muestra y popo es la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura.
Está relacionada con otros términos útiles como ser: a
aww= HRE/100 = n= HRE/100 = n11/(n/(n11+ n+ n22)) (3) Donde, HRE es la humedad relativa de equilibrio (%) en torno al producto, n1son los moles del solvente y n2los moles del soluto
Efecto
Efecto de
de la
la temperatura
temperatura sobre
sobre la
la presión
presión de
de vapor
vapor del
del agua
agua
149,4 187,5 289,1 433,6 633,9 118 92,5 71,9 55,3 42,2 23,7 31,8 355,1 233,7 525,8 760 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Temperatura (ºC) P re s ió n ( m m H g )
pH
Concentración de O2
Movilidad del agua Tipos de solutos El término actividad del agua awes un mejor indicador de la alterabilidad de los alimentos, pero aún imperfecto, puesto que otros factores influyen sobre la velocidad de degradación tales como:
Mínima actividad de agua de crecimiento de dos bacterias, donde la aw fue disminuida por adición de distintos componentes
Componente
Componente Sthapylococcus aureusSthapylococcus aureus Lactococcus lactisLactococcus lactis
Etanol 0,973 ---Polietilen glicol 0,927 ---Glicerol 0,89 0,924 Sacarosa 0,87 0,949 ClNa 0,86 0,965
Efecto
Efecto específico
específico del
del soluto
soluto
Mínima actividad de agua para el crecimiento de Staphylococcus aureus influenciado por el soluto utilizado para el control de la aw(Chirife, 1994)
Actividad del agua aproximada de algunos alimentos versus la fracción másica de agua (w)
Isotermas de adsorción de diversas sustancias biológicas: (1) Sacarosa en polvo; (2) Extracto de achicoria desecado; (3) Café tostado; (4) Polvo de extracto de páncreas porcino; (5) Almidón de arroz nativo.
ISOTERMAS
ISOTERMAS DE
DE SORCIÓN
SORCIÓN
Son representaciones gráficas que interrelacionan la actividad del
agua de un alimento con su el contenido de agua a temperatura
constante (expresado como masa de agua/masa de materia seca).
Se utiliza:
a) En los procesos de deshidratación y concentración, porque la
facilidad o dificultad para eliminar el agua está relacionada con la a
w.
b) Para formular mezcla de alimentos evitando la migración de
humedad entre los diversos ingrediente.
c) Para determinar la impermeabilidad requerida en el material de
envasado.
d) Para determinar el contenido de humedad que impide el
crecimiento de microorganismos de interés.
e) Para predecir la estabilidad química y física de los alimentos.
Para entender el significado y utilidad de las isotermas de sorción, conviene dividirla en zonas.
A medida que se agrega agua (adsorción) la composición de la muestra se desplaza de la Zona I (seca) a la Zona III de (alta humedad), difiriendo significativamente las propiedades del agua de cada zona
ZONA ZONA II
El alimento posee el agua más fuertemente absorbida y más inmóvil, adsorbida a sitios polares accesibles por interacciones ion o agua-dipolo.
La Entalpía de vaporización es mucho mayor que la del agua pura. No puede congelarse a –40 °C.
No sirve como solvente
No está presente en cantidad suficiente para ejercer un efecto plastificante sobre el sólido.
Se comporta simplemente como parte integrante del sólido.
El límite de las zonas I y II corresponde al contenido de humedad de la monocapa de BET del alimento.
El agua de la zona I constituye una fracción muy pequeña del agua de un alimento de alta humedad, menos del 1 %.
Monocapa
Monocapa dede BETBET:: Cantidad de agua necesaria para formar una capa
sobre los grupos altamente polares y accesibles de la materia seca.
ZONA II ZONA II
• El agua añadida de la zona II ocupa los sitios de la primera capa que aún permanecen libres.
• Se asocia con las moléculas de agua vecinas y las moléculas de soluto fundamentalmente por enlaces de hidrógeno.
• La Entalpía de vaporización es ligera o moderadamente mayor que la del agua pura.
• La mayor parte de este agua no congela a –40 °C. En el límite inferior de las zona II:
En el límite inferior de las zona II: • Actuará como agente plastificante.
• Iniciará procesos de disolución y movilizará los reactantes. • Promoverá el hinchamiento de la matriz sólida.
• Determinando así, una aceleración de la velocidad de las reacciones. El
El aguaagua dede lala zonazona II yy IIII constituyeconstituye menosmenos deldel 55 %% deldel aguaagua dede unun producto
ZONA III ZONA III
Consta del agua de la zona I y II más el agua añadida dentro de los confines de la zona III.
Es el agua menos fuertemente ligada y más móvil y se designa como agua de la fase masiva.
En el límite de las zonas IIB y III, el agua es suficiente para completar una cubierta de hidratación de monocapa verdadera, en torno a macromoléculas.
En los geles o sistemas celulares el agua de la fase masiva está físicamente atrapada de modo que se ha impedido su flujo macroscópico (goteo o exudación)
Tiene propiedades similares a la del agua de una solución salina diluida. Exhibe una entalpía de vaporización casi igual a la del agua pura. Es congelable.
Es utilizable como solvente.
Es fácilmente utilizable por los microorganismos para su actividad biológica, crecimiento y multiplicación
Asciende a más de 95 % del agua total de un alimento de alta humedad. ZONA III
Las moléculas de agua puede intercambiarse rápidamente de forma dinámica dentro de cada zona y entre zonas.
Las fronteras que separan las zonas de la isotermas no pueden establecerse con exactitud, prefiriéndose el concepto de continuidad de las propiedades del agua a través de las zonas I a III.
La fracción “más móvil” del agua existente en cualquier alimento es la que gobierna su estabilidad.
a
wAgua no
disponible Agua menosdisponible Agua muydisponible
0 0,25 0,8 1
Agua pura
No eliminable Eliminable por secado
Eliminable por secado y congelación
Histéresis
Histéresis
Una isoterma de sorción de humedad preparada por adición de agua (adsorción) a una muestra seca, no necesariamente se superpone sobre una isoterma preparada por desorción.
Influencia de la temperatura en las isotermas de adsorción
EFECTO DE LA TEMPERATURA
EFECTO DE LA TEMPERATURA
ECUACIÓN DE CLAUSIUS CLAPEYRON
Actividad del agua
H u m e d a d
ln aw
Graficamos ln awversus 1/T
Pendiente = -Qs/R (a contenido de humedad constante) Para T2> T1en grados Kelvin
R = constante de los gases = 1,987 cal/ºK mol
Qs = calor isostérico neto de sorción correspondiente al contenido de agua de la muestra
pendiente = Qs/R
Disminución de humedad
EJEMPLO:
Para T
1= 25 ºC a
1= 0,40
Qs = 2.000 cal/mol R = 1,987 cal/ºK mol
Hallar el valor de a
2a T
2= 40 ºC
Si Qs = 4.000 cal/mol a
2= 0,56
a
2 - 2.000 1 1ln
= - = 0,164 0,4 1,987 313,15 298,15a
2= e
0,164 x0,4a
2= 1,178 x0,40a
2= 0,47OBSERVACIONES:
a 40 ºC la línea corta a
w> a 0,8
a 20 ºC la línea se desplaza a la monocapa
Actividad del agua
H u m e d a d
Relación entre la awy la temperatura del almidón de papa nativo a diferentes contenidos de agua expresado en g agua / g almidón seco.
ECUACIÓN DE CLAUSIUS CLAPEYRON ECUACIÓN DE CLAUSIUS CLAPEYRON
Definición de
Definición de a
a
wwa temperaturas sub
a temperaturas sub--crioscópicas
crioscópicas
pff es la presión parcial del agua de el alimento parcialmente congelado po
(SCW) es la presión de vapor del agua pura subenfriada
phieloes la presión de vapor del hielo puro.
p
ffp
hieloa
w= =
p
o(scw)
p
o(scw)a) La relación es lineal a temperaturas de congelación.
b) La influencia de la temperatura sobre la a
wes mucho
mayor a temperaturas de congelación que a cualquier
otra temperatura por encima del punto de congelación.
c) En la representación gráfica ocurre un cambio brusco de
pendiente en el punto de congelación de la muestra.
Características de la
Presiones de vapor y relaciones de presión de vapor entre el agua y el hielo
1) A temperaturas superiores a la de congelación, la awes función de la composición de la muestra y de la temperatura, siendo predominante el primer factor.
2) A temperaturas de subcongelación la aw es independiente de la composición de la muestra, dependiendo sólo de la temperatura.
Relación entre la awy la temperatura para un alimento complejo por encima y debajo del punto de congelación.
Velocidad relativa de algunas reacciones que ocurren en los alimentos graficada versus la awa la que están almacenados
a
a
WWy estabilidad de los alimentos
y estabilidad de los alimentos
Pardeamiento no enzimático glucosa y lisina
Pérdida de tiamina a dos temperaturas
Pérdida de ácido ascórbico en dos alimentos Oxidación de caroteno en páprika deshidratada Actividad de la polifenoloxidasa (pardeamiento enzimático)
Velocidad de crecimiento relativo de algunos microorganismos (escala arbitraria) como función de la aw. (a)(a) Un hongo xerófilo, Xeromyces bisporus. (b)(b) Un hongo común, Aspergillus flavus. (c)(c) Una levadura,
Saccharomyces Cerevisiae. (d)(d) Una bacteria Salmonella sp.
1
Ecuación de BET
Ecuación de BET
El valor de la monocapa de BET de los alimentos constituye una buena estimación de contenido agua de máxima estabilidad de un producto seco.
La determinación de este valor se puede realizar si se conoce la parte inicial de la Isoterma de adsorción del alimento.
aw es la actividad de agua, m es el contenido de humedad (g H2O/g
materia seca), m1es el valor de la monocapa de BET y C una constante.
a
w1 C - 1
= + a
wm (1 – a
w) m
1C m
1C
Representación gráfica de la ecuación de BET para almidón de papa nativo
