BROMATOLOGIA

EL AGUA EN SISTEMAS ALIMENTICIOS ING. LUIS ARTICA

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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 LUIS ARTICA M. 2015

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 LUIS ARTICA M. 2015

Propiedades Generales       

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.

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ALIMENTOS

AGUA

Carne de cerdo

53-60

Carne de vacuno

50-70

Carne de pollo

74

Carne de pescado

65-81

Peras

80-85

Manzana

85-90

Melocotones

85-90

Naranjas

85-90

Fresas

90-95

Tomates

90-95

Paltas

74-80

Plátanos

74-80

Arvejas

74-80

Zanahorias

80-90

Espárragos

90-95

Coliflor

90-95

Lechugas

90-95

Estructura del agua - Formado por dos moléculas de H y una de oxígeno

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Estructura del agua - Los seis electrones de valencia del oxígeno están hibridados en la molécula del agua en los cuatro orbitales sp3.

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Estructura del agua 0.096 nm 105°

- Carga total neutra ( igual Nº de protones y electrones) - Distribución asimétrica de electrones:POLAR

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Estructura del agua - Alrededor del Oxigeno = densidad de carga negativa - Alrededor de hidrógeno = densidad de carga positiva DIPOLO

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Estructura del agua - Interacciones dipolo – dipolo

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Propiedades del agua a. ACCION DISOLVENTE - Disolvente universal (puentes de hidrógeno

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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. LUIS ARTICA M. 2015

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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.

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Propiedades del agua c. Elevada fuerza de Adhesión - Responsable del fenómeno de CAPILARIDAD

Presión que ejerce la columna de agua = presión capilar

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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. LUIS ARTICA M. 2015

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

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LIQUIDO Agua

CALOR DE VAPORIZACIÓN ( cal /g ) 540

Metanol

263

Etanol

204

Acetona

125

Benceno

94

Cloroforma

59

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Funciones del agua - Soporte: o medio donde ocurren las reaccionen metabólicas - Amortiguador térmico - Transporte de sustancias - Lubricante: amortiguadora del roce entre órganos - Favorece la circulación y turgencia - Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos - Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio. LUIS ARTICA M. 2015

Ionización del agua Disociación del agua

El agua tiene la capacidad de disociarse: - agua molecular (H2O) - Protones hidratados (H3O) - Iones Hidroxilo (OH) LUIS ARTICA M. 2015

OSMOSIS 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.

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2. La difusión y la diálisis

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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

DISTRIBUCION DEL AGUA EN LOS ALIMENTOS

- 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 LUIS ARTICA M. 2015

División: 1. Agua de la Monocapa: se encuentra interaccionando en los sitios activos de los componentes biológicos, mediante puentes de H. C = O ---- H O

N - H ---- O - H H

H

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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 O H LUIS ARTICA M. 2015

H

H O

H

3. Agua de los Capilares: El agua se encuentra en el interior de los micro capilares de la partícula de los alimentos.

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Isotermas de Sorcion Modelos Matemáticos de GAB y BET

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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).

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

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

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Actividad de Agua La actividad de agua es :

P aw  Po 

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. LUIS ARTICA M. 2015

Aw La actividad de agua se puede expresar en función de la fracción molar:

n1 aw  n1  n2 LUIS ARTICA M. 2015

Donde: 



n1 son los moles de solvente (agua) n2 son los moles de soluto.

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.

HRE aw  % 100 LUIS ARTICA M. 2015

Aw 

El valor nos indicará la cantidad de agua disponible en el alimento para que se den las reacciones de degradación en el alimento.

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Reacciones de Degradacion

AW El valor de actividad de agua es dependiente de la temperatura. Siempre supondremos como valor estándar un valor de 25ºC. LUIS ARTICA M. 2015

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

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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)

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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.

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

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 Solución alimento que perderá agua. Saturada LUIS ARTICA M. 2015

Muestra Analizada

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. Contenido en agua del alimento. Kg agua/Kg de mat seca.

0

1

aw LUIS ARTICA M. 2015

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.

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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 predecidas en base a ecuaciones teóricas. En función al contenido de humedad o de equilibrio puede obtenerse de 2 vías

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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)

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Cámara con solución Saturada donde la ºT es Kte.

Alimento Seco

Alimento Seco + Agua Ganada del Medio

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)

2.-

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Cámara con solución Saturada donde la ºT es Kte.

Alimento Seco

Alimento Fresco Agua perdida hacia el Medio

Grafica de Isoterma de Adsorcion y Desorcion

Contenido en agua del alimento. Kg agua/Kg de mat seca.

Desorcion

Adsorcion

0

0.2

0.6

0.8

1

aw

El grafico presenta la forma sigmoidea se puede apreciar la ganancia y perdida de agua. LUIS ARTICA M. 2015

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.

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

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.

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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.

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

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.

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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)

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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: Sitio Especifico

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Agua de la Monocapa

Ecuación de BET Aw (1 – Aw) X

=

1 Xm.C

+

(C-1) Aw Xm.C

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 LUIS ARTICA M. 2015

Linearizando esta expresión Aw (1 - Aw)X α

0

0.2

0.6

0.8

Tag α = C - 1 Xm.C

1

Donde: Aw X = Contenido de Humedad del Producto en b.s LUIS ARTICA M. 2015

Xm = 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 LUIS ARTICA M. 2015



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)

Xm.C.Aw )

x =

1 - (n+1)Aw + n.Aw +

1 – Aw LUIS ARTICA M. 2015

(n+1)

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

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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.

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Valores de Agua de la Monocapa Karel (1975) - Gelatina 11% - Almidón 11% - Lactosa 6% - Leche entera desecada por atomización 3%

ha dado también un ejemplo de cómo calculan estos valores LUIS ARTICA M. 2015

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.

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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 LUIS ARTICA M. 2015

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. LUIS ARTICA M. 2015

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 LUIS ARTICA M. 2015





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.

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Ecuación de GAT 

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: X Xm

=

C`K`Aw (1-K`Aw)(1-K`Aw+CK`Aw)

Donde: X = % del agua contenida en base seca LUIS ARTICA M. 2015

Xm = % 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. LUIS ARTICA M. 2015

Isoterma de GAT 

Bizot (1983) Transformo la ecuacion anterior a ana ecuacion cuadratica: Aw = α Aw2 + ß Aw + Ґ

X Siendo :

α=

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K‘ Xm

( 1 C'

-

1)

ß=

1 Xm

Ґ=

( 1 C'

1)

1 XmC‘K' Como se Observa para poder hallar los parametros de α, ß y Ґ se tiene que realizar un analisis de regresion no lineal simple, teniendose que hacer uso de la estadistica .

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

Con el fin de facilitar el calculo de los mencionados parámetros también se pueden determinar por métodos numéricos (método de mínimos cuadrados), cuya solución es la siguiente: n Ґ + ß ( ∑ Aw ) + α ( ∑ Aw2 ) = ∑ ( Aw ) X

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Ґ ∑Aw )+ß( ∑Aw2 )+α( ∑Aw3 )= ∑( Aw x Aw ) X

Ґ ∑Aw2)+ß( ∑Aw3 )+α( ∑Aw4 )= ∑( Aw x Aw2 ) X Donde: n = numero de soluciones saturadas

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Hallados los valores de α,

ß y Ґ se resuelven el sistema de ecuaciones, para hallar el valor de la monocapa: Xm = (

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1 )1/2 ß-4αҐ

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 20ªc viene dado por: M= 8.3477 aw + 2.2506 1-aw

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Importancia Tecnológica En la Industria de Alimentos 





Valor de H2O Monomolecular, Estabilidad del Alimento

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 Humedad del alimentos. alimento en Aw Nos permite conocer Fenómenos durante y después del deshidratado, permite indicar un buen diseño del deshidratador. LUIS ARTICA M. 2015

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.

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

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 Entropía es una propiedad termofísica de los alimentos para cálculos de transferencia de calor

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

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

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