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VII CAIQ 2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA ACTIVIDAD DEL

AGUA EN SOLUCIONES TERNARIAS H2O-NaCl-SORBITOL

Augusto M. Desuque, Francisco J. Passamonti y Abel C. Chialvo*

PRELINE (Programa de Electroquímica Aplicada e Ingeniería Electroquímica)

(Universidad Nacional del Litoral - CONICET)

Santiago del Estero 2829 - 3000 Santa Fe - Argentina

E-mail: [email protected]

Resumen. En este trabajo se evaluó la actividad del agua de soluciones

ternarias compuestas por una sal (cloruro de sodio) y un edulcorante

(sorbitol) a partir de la determinación experimental de la presión de vapor en

un rango de temperaturas comprendido entre 45 y 75 ºC. Para tal fin se

realizaron evaluaciones experimentales a cuatro temperaturas diferentes (45,

55, 65 y 75ºC), en un amplio rango de concentraciones (1 a 7 molal)

empleando 8 diferentes relaciones molales internas (msorbitol / [msorbitol +

mNaCl]). A partir de estos resultados se evaluó la actividad de agua para cada

sistema analizado y se estableció la dependencia de la actividad de agua con

la composición y la temperatura.

Palabras clave: actividad de agua, presión de vapor, soluciones ternarias.

1. Introducción

Dentro de la industria alimenticia, es de vital importancia el control de las reacciones

de degradación de los alimentos, producido principalmente por el crecimiento

microbiano. Todo microorganismo necesita el agua para su reproducción y, dado que se

encuentra presente en casi todos los alimentos, se vuelve imprescindible la necesidad de

minimizar la actividad microbiana. No obstante, no todo el agua presente en un

alimento puede ser utilizada por los microorganismos. Éstos sólo pueden utilizar el agua

libre que, sumada al agua ligada, da el contenido acuoso total o humedad del alimento.


AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

Existen diferentes maneras de cuantificar la disponibilidad del agua, o contenido de

agua libre, en un alimento. Una de ellas es a través de evaluación de la actividad de

agua (aw). Su valor dependerá, entre otros factores, de los procesos de adsorción y

disolución que se verifiquen en el medio, los cuales determinan la proporción de agua

ligada. La existencia de ésta se debe a la reactividad de las moléculas de agua, las cuales

pueden formar puente de hidrógeno entre sí mismas, con las moléculas de/los soluto/s

presente/s, o adsorberse en forma de monocapa a las moléculas de biopolímeros

(hidratos de carbono y proteínas) (Brock y col., 1987).

Los diferentes solutos afectan a la actividad del agua en diversos grados, según como

se disocien y como son hidratados cuando se disuelven en agua.

En general, los hongos y las levaduras tienen una mayor capacidad para crecer en

medios con actividad acuosa baja. Las levaduras lo hacen a partir de una actividad de

agua mayores a 0,75, mientras que los hongos filamentosos crecen cuando aw > 0,65.

Como contrapartida, las bacterias pueden desarrollarse a partir de valores de aw > 0,9.

(Stanier y col., 1989).

Por lo anteriormente expuesto, se puede concluir que el parámetro más importante

que caracteriza al solvente agua en un alimento es su actividad (aw), la cual tiene una

funcionalidad directa, entre otros parámetros, con los solutos que en el están disueltos.

Surge entonces una relación entre esta propiedad y la estabilidad del alimento de

acuerdo al crecimiento microbiano, las reacciones químicas que se llevan a cabo en

medio acuso y la actividad enzimática.

En este sentido, la ciencia ha evaluado diferentes metodologías para poder disminuir

estas reacciones indeseables en los alimentos. Dentro de las alternativas viables existen

diferentes métodos para regular esta propiedad, tales como el agregado de azúcares y/o

sales. Esta metodología tiene su efecto positivo en la conservación del alimento, aunque

puede presentar un efecto adverso sobre el sabor del alimento al igual que cambios en



otras propiedades organolépticas, dado que el agregado de azúcares y/o sales tienden a

modificar sustancialmente la calidad del producto alimenticio. Una opción que se

presenta para minimizar este efecto es combinar componentes en diferentes

proporciones para lograr el menor cambio posible en las cualidades del producto.

La información que se encuentra disponible en bibliografía actualmente comprende

datos experimentales a bajas temperaturas. A modo de ejemplo se pueden citar los

siguientes trabajos: Comesaña y col. (1999) han estudiado la actividad del agua a 25 ºC

para diferentes soluciones ternarias agua, cloruro de sodio y un edulcorante (xilosa,

fructosa o glucosa), obteniendo información experimental de la actividad del solvente

para un rango de concentraciones totales (suma de las concentraciones de los solutos

disueltos) entre 2 y 5 molal. Los mismos autores en otro trabajo (Comesaña y col.,

2001) realizaron un enfoque similar para soluciones de agua, cloruro de sodio y sorbitol

o xilitol a dos temperaturas diferentes (20 y 35 ºC) e igual rango de concentración. Zhuo

y col. (2000) investigaron 25 ºC soluciones ternarias de agua y NaCl con diferentes

monosacáridos (D-glucosa, D-galactosa, D-xylosa y D-arabinosa). Hernández y col.

(2003) informan datos de actividad del agua para soluciones de trehalosa y maltosa con

NaCl y agua a 25 ºC.

Como se puede observar en las referencias citadas en el párrafo anterior, todos los

trabajos que se encuentran en la literatura específica fueron llevados a cabo a bajas

temperaturas (la mayoría a 25 ºC y sólo una a 35 ºC), no existiendo información

reportada a temperaturas mayores. Por esta razón, y dado que es de suma importancia la

evaluación de la actividad en un rango amplio de temperaturas y de interés para la

industria, este trabajo tiene por objetivo determinar experimentalmente la actividad del

agua en soluciones ternarias compuestas por una sal (cloruro de sodio) y un polialcohol

edulcorante (sorbitol), a temperaturas entre 45 y 75 °C, para un posterior modelado de

la dependencia de la actividad del agua con la concentración total de solutos en agua y

la relación molal entre ellos.



2. Metodología

2.1. Equipo utilizado

La evaluación de la actividad de agua consistió en la determinación experimental de

la presión de vapor de equilibrio sobre una solución acuosa de composición y

temperatura conocidas. Las mediciones de presión de las soluciones se determinaron

mediante un manómetro de mercurio diseñado específicamente para que el mercurio

fluya libremente por el tubo.

Se realizaron experiencias a cuatro temperaturas (45, 55, 65 y 75°C), en un rango de

concentraciones molales entre 1 y 7 molal, y relaciones molales interna entre 0 y 1.

Para la realización de este trabajo se empleó un dispositivo experimental, el cual es

una versión modificada del dispositivo empleado por Kim y col. (2004), mostrado en la

Figura 1. El mismo garantiza la isotermicidad de todo el sistema y posibilita realizar

medidas precisas de presión y temperatura, con capacidad de desgasificación “in situ”

de las soluciones (para eliminar gases disueltos en la solución y en fase gas) mediante

vacío. Dicho equipo ya fue empleado anteriormente en otros trabajos realizados

(Maggiolo y col., 2011). Consiste en un balón (A) de 125 cm3 de capacidad el cual

contiene la solución a ser evaluada. Éste está conectado con un manómetro de mercurio

(F) y con una bomba de vacío (H) a través de una válvula (G). El recipiente, el

manómetro y las conexiones están inmersas en un baño de agua isotérmico (B), cuya

temperatura es controlada con un equipo Lauda Thermostat UB20 Ultra (E), con un

control de temperatura de ±0,1 ºC. Una bomba de recirculación (D) con un caudal de 4

dm3 min-1 se emplea para mantener la uniformidad en la temperatura del baño

termostatizado. Además, para aumentar la transferencia de masa entre las fases líquida y

vapor del sistema, y asegurar uniformidad de temperatura en la muestra, se emplea un

agitador magnético (C) dentro del recipiente donde se encuentra la solución a medir. La

temperatura se mide mediante un termómetro digital Lauda R46 con una resistencia de

platino de 100 Ω con una precisión de ±0,01 K. La presión fue medida con un

manómetro de mercurio en U abierto a la atmósfera registrando las mediciones del



mismo mediante un catetómetro con apreciación ±0,1 mm (±0,015 kPa). Las

mediciones de presión manométrica en cada experiencia fueron corregidas con el

coeficiente de expansión manométrica del mercurio (Lide, 2006) y referidas a 273,15 K.

La presión atmosférica se mide mediante un barómetro calibrado marca LUFFT

Precision model 2187 que tiene una apreciación de ±0,5 mbar. El equipo presenta un

error de medición de 0,4 %.

Fig. 1. Esquema del equipo utilizado para la realización de las mediciones.

2.2. Drogas empleadas

Se empleó cloruro de sodio (Cicarelli, calidad proanálisis, CAS 7647-14-5) y sorbitol

(Cicarelli, calidad proanálisis, CAS 50-70-4). Ambas drogas fueron desecadas en estufa

de vacío a 45 ºC y 0,1 mmHg durante 24 hs antes de su empleo. El agua empleada fue



ultrapura obtenida de un equipo PureLab Elga LabWater. Cada solución se preparó por

gravimetría en una balanza de precisión Meetler AE200 con apreciación de 0,0001g.

3. Resultados experimentales

La actividad del agua (aw) en soluciones acuosas conteniendo componentes no

volátiles puede evaluarse a partir de la determinación de la dependencia de la presión de

vapor, 𝑃!!! 𝑇,𝑚,𝑦 , con la composición (usualmente molalidad):

𝑎!!! 𝑇,𝑚,𝑦 = !!!! !,!,!

!!!!! !

(1)

Donde 𝑃!!!

! 𝑇 es la presión de saturación del agua pura a la temperatura de trabajo

(calculada de acuerdo a Wagner y Pruss, 2002), m es la concentración molal total de los

solutos en solución:

𝑚 = 𝑚!"#$%&"' +𝑚!"#$ (2)

e y la fracción molal interna definida como:

𝑦 = !!"#$%&"'!!"#$%&"'!!!!"#

(3)

A continuación se detallan los resultados obtenidos experimentalmente para las

soluciones analizadas.



Tabla 1. Valores experimentales de actividad. Temperatura: 45 ºC m y aw m y aw

0,9981 0,4012 0,9686 2,9939 0,0000 0,8653 0,9995 0,0000 0,9733 2,9953 0,8003 0,9553 1,0000 1,0000 0,9862 2,9978 1,0000 0,9498 1,0015 0,5966 0,9638 3,0051 0,4009 0,9100 1,0047 0,7963 0,9873 3,9885 0,0000 0,8152 1,0086 0,2049 0,9747 3,9943 1,0000 0,9305 1,4989 0,2995 0,9726 4,0024 0,5994 0,9247 1,4994 0,0999 0,9658 4,0071 0,3988 0,8904 1,4995 0,5000 0,9590 4,0148 0,1998 0,8464 1,5002 0,6972 0,9759 4,0174 0,7967 0,9342 1,5037 0,8966 0,9805 4,9786 0,0000 0,7754 1,9605 0,0000 0,9232 4,9845 1,0000 0,8796 1,9906 0,4022 0,9330 5,001 0,3995 0,8617 1,9966 0,2004 0,9450 5,0044 0,2000 0,8014 1,9967 0,7989 0,9584 5,0196 0,6000 0,8923 2,0148 0,5988 0,9501 5,9807 1,0000 0,8385 2,0178 0,1977 0,9595 5,9876 0,0000 0,7580 2,5184 0,5007 0,9590 6,9701 1,0000 0,8449 2,5356 0,6843 0,9493


0,9981 0,4012 0,9666 2,9939 0,0000 0,8677 0,9995 0,0000 0,9642 2,9953 0,8003 0,9459 1,0000 1,0000 0,9866 2,9978 1,0000 0,9364 1,0015 0,5966 0,9762 3,0051 0,4009 0,9108 1,0086 0,2049 0,9630 3,0153 0,5973 0,9144 1,4989 0,2995 0,9655 3,9885 0,0000 0,8160 1,4994 0,0999 0,9545 3,9943 1,0000 0,9150 1,4995 0,5000 0,9488 4,0024 0,5994 0,9146 1,5002 0,6972 0,9621 4,0071 0,3988 0,8892 1,5037 0,8966 0,9713 4,0148 0,1998 0,8491 1,9605 0,0000 0,9179 4,0174 0,7967 0,9241 1,9906 0,4022 0,9419 4,9786 0,0000 0,7824 1,9966 0,2004 0,9449 4,9845 1,0000 0,8809 1,9967 0,7989 0,9604 5,0010 0,3995 0,8549 1,9992 1,0000 0,9640 5,0042 0,7996 0,8988 2,0047 0,1994 0,9350 5,0044 0,2000 0,7941 2,0148 0,5988 0,9598 5,0196 0,6000 0,8851 2,0178 0,1977 0,9560 5,9807 1,0000 0,8395 2,4957 0,3000 0,9472 5,9876 0,0000 0,7531 2,5004 0,0999 0,9257 6,0046 0,2000 0,7693 2,5184 0,5007 0,9488 6,9701 1,0000 0,8279 2,5356 0,6843 0,9460



Tabla 3. Valores experimentales de actividad. Temperatura: 65 ºC

m y aw m y aw 0,9981 0,4012 0,9729 2,9934 0,1997 0,9265 0,9995 0,0000 0,9676 2,9939 0,0000 0,8669 1,0000 1,0000 0,9745 2,9953 0,8003 0,9410 1,0015 0,5966 0,9824 2,9978 1,0000 0,9384 1,0047 0,7963 0,9746 3,0051 0,4009 0,9143 1,0086 0,2049 0,9675 3,0153 0,5973 0,9185 1,4989 0,2995 0,9633 3,4960 0,1001 0,8969 1,4994 0,0999 0,9561 3,9885 0,0000 0,8170 1,5002 0,6972 0,9620 3,9943 1,0000 0,9188 1,5037 0,8966 0,9690 4,0024 0,5994 0,9056 1,9605 0,0000 0,9216 4,0071 0,3988 0,9007 1,9906 0,4022 0,9509 4,0148 0,1998 0,8441 1,9966 0,2004 0,9453 4,0174 0,7967 0,9179 1,9967 0,7989 0,9639 4,9786 0,0000 0,7805 1,9992 1,0000 0,9639 4,9845 1,0000 0,8783 2,0148 0,5988 0,9623 5,0010 0,3995 0,8700 2,0178 0,1977 0,9584 5,0042 0,7996 0,9016 2,4957 0,3000 0,9398 5,0196 0,6000 0,8838 2,5004 0,0999 0,9272 5,9807 1,0000 0,8352 2,5184 0,5007 0,9419 5,9876 0,0000 0,7526 2,5356 0,6843 0,9435 6,9701 1,0000 0,8274


0,9981 0,4012 0,9811 2,9978 1,0000 0,9360 1,0000 1,0000 0,9759 3,0051 0,4009 0,9279 1,0015 0,5966 0,9926 3,0153 0,5973 0,9288 1,0086 0,2049 0,9582 3,4903 0,3000 0,9149 1,4989 0,2995 0,9618 3,4960 0,1001 0,8961 1,4994 0,0999 0,9520 3,9885 0,0000 0,8181 1,5002 0,6972 0,9645 3,9943 1,0000 0,9126 1,5037 0,8966 0,9673 4,0024 0,5994 0,9095 1,9906 0,4022 0,9598 4,0071 0,3988 0,9050 1,9966 0,2004 0,9456 4,0148 0,1998 0,8540 1,9967 0,7989 0,9613 4,0174 0,7967 0,9194 1,9992 1,0000 0,9559 4,9786 0,0000 0,7846 2,0047 0,1994 0,9321 4,9845 1,0000 0,8758 2,0148 0,5988 0,9694 5,0010 0,3995 0,8735 2,0178 0,1977 0,9569 5,0042 0,7996 0,8965 2,4957 0,3000 0,9416 5,0196 0,6000 0,8827 2,5004 0,0999 0,9251 5,9807 1,0000 0,8359 2,5184 0,5007 0,9435 5,9876 0,0000 0,7468 2,5356 0,6843 0,9394 6,0046 0,2000 0,7784 2,9934 0,1997 0,9251 6,9701 1,0000 0,8245 2,9953 0,8003 0,9412



A partir de la información experimental obtenida, se pudieron establecer superficies

tridimensionales paramétricas con la temperatura, la cuales se muestran a continuación:

Fig. 2. Superficie de actividad del agua en función de la molalidad total

(m) y de la fracción molal interna (y). Temperatura: 45°C



76

54

32

1

m0 0.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

y

0.75 0.75

0.8 0.8

0.85 0.85

0.9 0.9

0.95 0.95

1 1

aw aw

aw45.xls : (1)Hoja1, X , Y , Z Rank 1 Eqn 2501 z=()

r^2=0.94701012 DF Adj r^2=0.93675401 FitStdErr=0.016019385 Fstat=114.37778a=-0.060810204 b=0.01290427 c=0.023968367

d=6.7877278e-05 e=-0.0060008879 f=-0.0057356132

76

54

32

1

m0 0.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

y

0.75 0.75

0.8 0.8

0.85 0.85

0.9 0.9

0.95 0.95

1 1

aw aw



d=-0.00075772296 e=-0.0056433897 f=-0.0058079017






(m) y de la fracción molal interna (y). Temperatura: 75°C.

4. Conclusiones

Para cada temperatura se realizaron más de 40 determinaciones experimentales de

actividad de agua para el sistema ternario H2O-NaCl-Sorbitol en un rango entre 45 y 75

76

54

32

1

m0 0.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

y

0.75 0.75

0.8 0.8

0.85 0.85

0.9 0.9

0.95 0.95

1 1aw aw



d=-0.00095928207 e=-0.0049590827 f=-0.0062006192

76

54

32

1

m0 0.1

0.20.3

0.40.5

0.60.7

0.80.9

y

0.7 0.70.75 0.750.8 0.8

0.85 0.850.9 0.9

0.95 0.95

1 1

aw aw



d=-0.00026652991 e=-0.0042266244 f=-0.0076040047



ºC, para concentraciones totales entre 1 y 7 molal, y 8 relaciones molales internas entre

0 y 1. Esta información sentará las bases para un posterior modelado de la dependencia

aw(m,y), basado en las restricciones que impone la termodinámica de soluciones.

5. Reconocimientos

Los autores de este trabajo agradecen el apoyo financiero de la Universidad Nacional

del Litoral, la Agencia Nacional para la Promoción Científica y Tecnológica y el

Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas.

6. Referencias

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Hispanoamericana S.A. (México).

Comesaña J.F., Correa A., Sereno A. (1999) J. Chem. Eng. Data 46, 1132.

Comesaña J.F., Correa A., Sereno A. (2001) J. Chem. Eng. Data 46, 716.

Hernández-Luis, F., Amado-González, E., Esteso, M.A. (2003) Carbohydrate Research

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Kim K., Choi S., Lee H. (2004) J Chem. Eng. Data 49, 1550.

Lide, D. R. (2006-2007). Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press: New York,

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Stanier, R.Y. ; Ingraham, J.L. ; Whaelis, M.L. ; Painter, P.R. (1989). Microbiología. 2da

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