01-actividad de agua
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tratamiento de aguaTRANSCRIPT
Diapositiva 1
COMPOSICION Y ANLISIS DE ALIMENTO
Agua
Importancia del agua en los alimentos
Es 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 agua
Es esencial para la vida como:
Estabilizadora de la temperatura corporal,
Portadora de nutrientes y productos de desecho,
Como reactivo y medio de reaccin,
Estabilizadora en la conformacin de biopolmeros,
Probable facilitadora de la conducta dinmica de las macromolculas,
Por sus propiedades catalticas, etc
Importancia del agua
El agua representa el constituyente ms abundante en la mayor parte de los alimentos en estado natural a excepcin de los granos.
En la cantidad, localizacin y orientacin 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 asociacin entre el agua y otros constituyentes, sin embargo esta cualidad es tambin responsable de su deterioro.
Tabla. Contenido de agua de diversos alimentos
AlimentoContenido de agua (%)CarnesDe cerdo, cruda53-60Vacuna, cruda50-70De pollo, todas las clases74Pescado65-81FrutasBayas, cerezas, peras80-85Manzanas, naranjas85-90Fresas, tomates90-95VerdurasPltanos, alberjas (verdes)74-80Brcolis, zanahorias, papas80-90Esprragos, habas, lechugas, coliflor90-95La molcula de agua
Constantes fsicas del agua y del hielo
PropiedadPeso molecular18.0153Propiedades de transicin de fasePunto de fusin a 101.3 k Pa (1 atm) 0.000CPunto de ebullicin a 11.3 k Pa (1 atm) 100.000CTemperatura Crtica373.99CPresin Critica22.064 MPa (218.6 atm)Punto triple0.01C and 611.73 Pa (4.589 mm Hg )Calor de fusin a 0C 6.012 kJ (1.436 kcal)/molCalor de vaporizacin a 100C 40.657 kJ (9.711 kcal)/molCalor de sublimacin a 0C 50.91 kJ (12.16 kcal)/molConstantes fsicas del agua y del hielo
20 oC0 oC0oC (hielo)-20 oC (hielo)Densidad (kg/L)0.9982030.9998410.91680.9193Viscosidad (Pa.s)1.002 x10-3 1,787x10-3--Tensin superficial frente al aire (N/m)72.75 x10-375.6 x10-3Presin de vapor2.337 x10-36.103 x10-2 6.104 x10-21.034 x10-2Propiedades fsicas del agua
Calor especfico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado.
Calor latente de fusin y de vaporizacin: se llama as al calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua.
Conductibilidad trmica: 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 lquido aunque su temperatura est por debajo del punto de congelacin. Es uno de los agentes ionizantes ms conocidos y tambin se le conoce como el disolvente universal.
Asociacin de las molculas de agua
La forma de V de una molcula de agua y la naturaleza polarizada del enlace O-H, determinan una distribucin asimtrica 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 intermoleculares
El agua tiene una gran capacidad para formar mltiples enlaces de hidrgeno.
Tipo de enlaceEnergia de enlace mediacovalente335 kJ/molEnlace de hidrgeno (promedio)2 40 kJ/molCada momcula de agua es capaz de unirse a un mximo de otras cuatro molculas.
Conformacin tetradrica.
Se forman cuatro lineas de fuerza
Estructura del hielo
El agua (tetradrica) cristaliza en una estructura abierta (de baja densidad), formando una geometra 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.
Hexagonal structure viewed down the c axis. Numbered molecules relate to the unit cell in Fig ure 3.
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 molculas de agua estn tetracoordinadas.
El hielo no es esttico.
La actividad en el hielo se debe, entre otros, al movimiento de los tomos de hidrgeno al formar el enlace de hidrgeno.
Solutos en el hielo
La cantidad y clases de solutos presentes puede influir en la cantidad, tamao, estrucura, localizacin y orientacin 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 lquida tiene una estructura que le permite producir rigidez de largo rango.
La movilidad de una molcula de agua est influenciada por sus vecinas.
Es un lquido abierto con densidaddel 60% de lo que se esperara, explicada por su disposicin tetradrica.
Estructura del agua
El gua lquida (t.a.) contiene trayectos tridimencionales ininterrumpidos de enlace hidrgeno.
Preferencia local por la geometra tetradrica.
Contiene muchos enlaces distorcionados o rotos.
Posibilidad de agregados dispersos de unas cuantas molculas de agua.
Las molculas pueden cambiar entre s sus enlaces de hidrgeno.
Matiene la temperatura constante, el retculo intacto y gran nmero de enlaces hidrgeno.
Estructura del agua
En el hielo, a medida que se incrementa la temperatura, se destruye la estructura rgida.
Las molculas de agua se reorganizan.
Se forman disposiciones reticulares que permiten la formacin de enlaces de hidrgeno distorcionables.
La temperatura se incrementa (calor latente de fusion).
El nmero de coordinacin 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 molculas 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 nmero de vecinas ms prximas y aumenta la densidad.
El retculo de enlace es altamente dinmico, aumentando la movilidad molecular y fluidez, y por consiguiente disminuyendo la viscosidad.
Interacciones agua-soluto
La adicin de diferentes sustancias al agua determina la alteracin de la propiedades de la sustancia aadida y de la propia agua.
Sustancias hidroflicas (SHf)
Interactuan fuertemente con el agua: dipolo-dipolo; io-dipolo.
Modifican la estructura del agua y su movilidad.
Las sustancias hidrflicas cambian su estructura y reactividad.
Sustancias hidrofbicas (SHb)
Los grupos hidrofbicos interactuan dbilmente 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 hidrfobos se agregan para minimizar su contacto con el agua.
Interacciones agua-soluto
Ligazn de agua Hidratacin
(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,
Composicin salina,
pH,
Temperatura.
Agua Ligada
Es 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 comparacin con la masa de agua del mismo sistema, siendo incongelable a -40 oC.
El agua capilar es la fraccin del agua retenida por el suelo que puede ser absorbida por las races de las plantas, mientras que el agua ligada forma una capa tan fina alrededor de las partculas del suelo y est tan fuertemente unida a ellas que no puede ser aprovechada por las plantas
Agua Ligada
La cantidad aparente de agua ligada vara segun el mtodo de anlisis.
La cantidad real de agua ligada vara dependiendo del producto.
El agua ligada consta de:
Agua constitucional: es el agua ligada ms tenazmente y que forma parte integral de la sustancia no acuosa.
Agua vecinal: es el agua ligada que sigue en tenacidad de unin.
Ocupa los sitios de la primera capa de los grupos ms hidroflicos (de los constutyentes no acuosos).
Cuando ligada a grupos inicos, se liga ms firmemente.
Agua multicapa: ocupa los restantes sitios de la primera capa y forma vairas capas detras del agua vecinal.
Est ligada menos tenazmente que el agua vecinal.
Tambin est prxima al constituyente no acuoso, sus propiedades estan alteradas, respecto al agua pura.
Agua Ligada
No est inmovilizada.
El agua ligada a SHf est ms estructurada que el agua pura, pero difiere al hielo.
La cantidad real de agua ligada vara dependiendo del producto.
En algunos sistemas celulares de alimentos el agua puede estar confinada en pequeos capilares (radios 10 a 100 mm). Presenta reducida movilidad y presin de vapor.
Los alimentos de alta humedad presentan cantidades pequeas de agua ligada.
Ejm. Protenas 0.3 a 0.5 g H2O por gramo de protena seca.
Los alimentos de baja humedad sonmejor descritos con la actividad de agua.
Capacidad de Retencin de Agua (Sinresis)
Describe la capacidad de una matriz de molculas, normalmente macromolculas, para atrapar grandes cantidades de agua de tal manera que se evite la exudacin.
Ejm.: pectina, almidn, tejidos animales vegetales;
La materia orgnica atrapa fsicamente grandes cantidades de agua.
Agua atrapada:
Se comporta como agua pura durante el procesado de alimentos;
Se elimina fcilmente, se congela;
Constituye la principal fraccin de agua en clulas y geles;
Influye en la capacidad de retencin de agua de los alimentos.
Influencia sobre la sinresis:
Congelacin reduccin;
Descenso de pH reduccin.
Actividad del agua
Se define como la relacin que existe entre la presin de vapor de un alimento dado en relacin con la presin de vapor del agua pura a la misma temperatura. Se denomina por regla general como aw del idioma ingls Water activity, aw ). La actividad acuosa es un parmetro estrechamente ligado a la humedad del alimento lo que permite determinar su capacidad de conservacin, de propagacin microbiana, etc. La actividad acuosa de un alimento se puede reducir aumentando la concentracin de solutos en la fase acuosa de los alimentos mediante la extraccin del agua (liofilizacin) o mediante la adicin de nuevos solutos. La actividad acuosa junto con la temperatura, el pH y el oxgeno son los factores que ms 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 mayora de las bebidas Hortalizas enlatadas en salmuera
Frutas enlatadas en almbar 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, Pastelera Miel , Bizcochos, Galletas crackers
Patatas a la inglesa,
Huevos y hortalizas deshidratados y leche en polvo
Aw y conservacin de los alimentos
Donde P = presin de vapor del alimento
Po= presin de vapor del agua pura
Que obedece la Ley de Rault. Soluciones no ideales las molculas e iones presentes causan desvos de la Aw calculada de esta forma.
La presin 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:
El contenido de agua libre se expresa como Aw , donde:
Aw y conservacin de los alimentos
El valor mximo de la actividad de agua es 1, en el agua pura.
Alimentos con Aw> 0.9
Pueden formar soluciones diluidas con componentes del alimento que servirn de sustrato para desarrollo de microorganismos.
Las reacciones qumicas y enzimticas pueden disminuir su velocidad, por las bajas concentraciones.
La contaminacin biolgica es ms fcil.
Alimentos con Aw 0.40 0.80
Hay posibilidad de reacciones qumicas y enzimticas rpidas, por el aumento de las concentraciones de los reactantes.
Alimentos con Aw 0.6
Hay poco o ningn crescimiento microbiano
Alimentos con Aw < 0.3
Se alcanza la Zona de Absorcin Primaria, presencia de la monocapa:
Las molculas de agua pueden estar enlazadas a puntos de absorcin primarios (Ej. R-COOH) y otras molculas de idrgeno (agua ligada).
Esta agua no es utilizable para disolver componentes del alimento.
Las reacciones tienden a velocidad cero.
La oxidacin de lpidos es ms rpida.
El crecimiento de microorganismos se dificulta.
Aw y conservacin de los alimentos
Isotermas de Desorcin e Histresis
Isoterma de adsorcin
Es la curva que indica la cantidad de agua retenida por un alimento en funcin de la humedad relativa de la atmsfera que le rodea.
Isoterma de desorcin
Es nica para un producto dado y una temperatura determinada,
No es superponible a la isoterma de adsorcin;
En teora las dos curvas deberan seguir el mismo trazado pero los experimentos permiten demostrar que no siempre ocurre as.
sta no coincidencia de las dos curvas se denomina Histresis.
Las dos isotermas tericas 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 hidratacin.
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 1
El agua constituye la capa primaria, unida a grupos ionizables o fuertemente polares.
ZONA 1I
El agua puede actuar como solvente y su presin de vapor varia segn la Ley de Rault.
ZONA 1II
Agua retirada de capilares, donde puede formar soluciones, tambin agua libre retenida mecnicamente.
Las isotermas de adsorcin y desorcin se usan para:
Clculo de Aw en mezclas con componentes de diferentes Aw
Estimacin del peso y rea de la capa primaria
Estudio del tipo de embalaje ms adecuado ante la sorcin de agua del alimento
Permiten prevenir el grado de deshidratacin 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 presin de vapor de agua.
Tambin se puede obtener colocando varias muestras de un mismo alimento en varios recipientes cerrados, mantenindolos con soluciones salinas o cido sulfrico 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 mnima de crecimiento es prcticamente independiente del tipo de soluto utilizado.
Otros microorganismos, sin embargo, cuando se utilizan determinados solutos, tienen valores de Aw limitante del crecimiento que son ms bajos que cuando se utilizan otros.
El KCl, por ejemplo, suele ser menos txico que el NaCl y, ste, a su vez, tiene menor poder inhibidor que el sulfato sdico.
Valor nutritivo del medio de cultivo.
Cuanto ms apropiado es el medio de cultivo para el crecimiento general del microorganismo, tanto menor es la Aw limitante del crecimiento.
Temperatura.
A temperaturas prximas a la temperatura ptima de crecimiento, la mayora de los microorganismos tienen una tolerancia mxima a los valores bajos de la Aw.
Aporte de oxgeno.
Cuando en el medio existe aire, la multiplicacin de los microorganismos aerobios tiene lugar a valores de la Aw ms bajos que, cuando en el mismo no existe aire, ocurriendo lo contrario cuando se trata de microorganismos anaerobios.
pH.
A valores de pH prximos a la neutralidad, la mayora de los microorganismos son ms tolerantes a la escasa Aw , que cuando se encuentran en medios cidos o bsicos.
Inhibidores.
La presencia de inhibidores reduce el intervalo de valores de Aw que permite la multiplicacin de los microorganismos.
Mtodos utilizados para regular la Aw
Estabilizacin con soluciones reguladores,
Determinacin de la isoterma de adsorcin del agua de los alimentos (Iglesias y Chirife, 1976),
Adicin de solutos.
Tcnicas utilizadas para medir o determinar el valor de la Aw de los alimentos
la determinacin del punto de congelacin,
tcnicas manomtricas
empleo de aparatos elctricos.
Se coloca la muestra en una pequea cmara 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 despus del equilibrio.
La determinacin del punto de congelacin slo se puede realizar cuando se trata de alimentos lquidos con valores de Aw elevados.
Esta determinacin se basa en la ecuacin de Clausius-Clapeyron para soluciones diluidas (Strong y otros, 1970). La tcnica manomtrica que determina directamente la presin de vapor en la atmsfera que rodea al alimento se considera muy exacta.
Esta tcnica y el aparato utilizado en la misma los describe con detalle Labuza (1974).
FenmenoEjemplos
1,000,95Alimentos frescos perecederosNo crecen: pseudomonasAlim. 40% SACAROSA 75% SALBacillus ; clostridium perf.Salchichas cocidas - pan0,9Lmite inferior crecimiento bacterias55% SACAROSA 12% SALSalmonella ; clostri.botulinumJamn curado - queso nomaduro 0,85No crecen muchas levaduras65% SACAROSA 15% SALSalami - quesos maduros - margari,0,8Lm. Inf. crec. mohos - enzimas15-17 % AguaStaphilococcus aureusJarabes frutas - leche conden.0,75Lm. inf. crec. bacterias halfilas15-17 % AguaMazapan - confiturasFenmeno
0,65Velocidad mx. Reaccin MAILLARD10 % AguaCopos avena - melazas - frut. Secos0,60Li.c. mohos -levaduras osmfilas Frutos secos15-20% AguaCaramelos 8% agua - miel55Principio DESORDEN del Ac.ADN (Fin Vida)0,5Frutos secos -especias - pasta seca0,4Mnima velocidad oxidacin5 % Agua HUEVO en POLVO0,25Mxima REMORRESISTENCIA ESPORAS3 % agua leche polvo 0,205 % agua verduras secasPapel del hielo en la estabilidad de los alimentos a temperaturas subcrioscopicas
La baja temperatura, y no el hielo, es quien contribuye en la conservacin de los alimentos.
Consecuencias de la formacin 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%.
soluto
de
moles
o
n
solvente
de
moles
de
o
n
solvente
de
moles
o
n
A
n
o
P
P
w
A
+
=
=
=
100
HR
A
w
=
CONTENIDO EN AGUA Y ACTIVIDAD DE AGUA
(a
w
) DE ALGUNOS ALIMENTOS
Alimento
Contenido
agua (%)
Actividad
de agua
Grado de proteccin requerido
Hielo (0C)
100
1,00
p
Carne fresca
70
0,985
Pan
40
0,96
Envasado para evitar
Hielo (-10C)
100
0,91
p
una excesiva desecacin
Mermelada
35
0,86
Hielo (-20C)
100
0,82
p
Harina de trigo
14,5
0,72
Hielo (-50C)
100
0,62
p
No se requiere envasado
Pasas
27
0,60
o tan slo una proteccin mnima
Macarrones
10
0,45
Cacao en polvo
0,40
Dulces hervidos
3,0
0,30
Bizcochos
5,0
0,20
Envasado para evitar
Leche deshidratada
3,5
0,11
su rehidratacin
Snacks a base de patata
1,5
0,08
p
: Presin de vapor del hielo dividido por la fusin de vapor del agua.
INTERACCIONES ENTRE
a
w
, pH Y TEMPERATURA
EN ALGUNOS ALIMENTOS
Alimento
pH
a
W
Vida til
Observaciones
Carne fresca
>4,5
>0,95
das
Almacenamiento en refrigeracin
Carne cocinada
>4,5
0,95
semanas
Envasada,se mantiene bien a
temperatura ambiente
Embutidos
desecados
>4,5
4,5
>095
semanas
Se mantienen mientras dura su
respiracin
Pepinillos
>4,5
0,90
meses
Se conservan por el bajo pH
mantenido por su envasado
Pan
>4,5
>0,95
das
Pastel de frutas
>4,5
4,5
>0,95
das
Conservada por la refrigeracin
Yogur
>4,5
4,5