Agua y Conservación de Alimentos: Bromatología y Nutrición

EL AGUA Y LA CONSERVACIÓN
DE LOS ALIMENTOS
Cátedra Bromatología y Nutrición
Mgter. Nancy E. Cruz
PROPIEDADES DEL AGUA
 2 átomos de hidrogeno unidos a 1 de
oxigeno ( H – O – H ) mediante enlaces
covalentes polares.
 Debido a la hibridación de las órbitas
moleculares s y p del oxígeno, la molécula
tiene forma de tetraedro.
 La alta electronegatividad del oxígeno
causa la aparición de cargas parciales
dando lugar a una molécula tipo dipolo con
alto carácter iónico.
La molécula es eléctricamente neutra, no
tiene carga determinada, pero si un dipolo
eléctrico potente que le permite crear
puentes de hidrogeno estables con otras
moléculas iguales o diferentes pero de
naturaleza polar.
La molécula de agua tiene dos sitios receptores
y dos donadores de electrones, por lo que su
interacción mediante puentes de hidrógeno
crea estructuras tridimensionales estables en
el hielo y en el agua líquida.
Las temperaturas bajas favorecen la formación
de puentes de H, mientras que las altas los
destruyen; se considera que en el hielo, el
100% de las moléculas establecen puentes de
H, y que en el vapor este porcentaje es cero
Su elevado calor latente de vaporización (energía necesaria para
transformar un kilogramo de agua líquida en vapor a 100ºC) indica que se
necesita mucha energía para vaporizar un poco de agua (como en la
deshidratación de alimentos) El proceso inverso, la condensación, es
exotérmico y libera calor, característica que se aprovecha para calentar los
alimentos en los procesos de esterilización de enlatados.
El alto calor específico del agua (1 cal/gºC a 20ºC) indica la necesidad de
aplicar mucha energía para incrementar su temperatura, ya que una buena
proporción se consume en vibrar la molécula debido a su gran momento
dipolar y a romper los puentes de hidrógeno, pero no a calentarla, por eso
el agua es menos efectiva como medio de calentamiento que los
aceites de cocina
Su gran dipolo es fundamental para calentar los alimentos en
microondas ya que, al producir una oscilación y fricción permanente en las
moléculas, se induce un aumento de la temperatura
IMPORTANCIA DE SU
DETERMINACIÓN
EL AGUA (HUMEDAD) EN MUESTRAS DE ALIMENTOS
ES UN PARÁMETRO IMPORTANTE
• Durante el procesado
• Comprobación de la calidad de los alimentos
DOS ASPECTOS FUNDAMENTALES:
1- Desde el punto de vista económico respecto a la cantidad
de alimento seco.
2- Estabilidad y calidad de los alimentos, (proliferación de
hongos, bacterias=deterioro)
CONTENIDOS DE AGUA EN
ALIMENTOS
FUENTE: POMERANS
ALIMENTO
AGUA(%)
ALIMENTO
AGUA(%)
PRODUCTOS LACTEOS
FLUIDOS
87-91
MIEL
20
MANTEQUILLA
15
JUGOS DE FRUTAS
85-93
MAYONESA
15
FRUTAS FRESCAS
>85
CEREALES
10-12
CREALES FRESCOS
78 - 69
LEGUMBRES
7-12
HUESVOS FRESCOS
74
CEREALES (PROCESADOS) 4-13
GELATINAS
65
LECHE EN POVO
4
CARNE Y PESCADO
50-70
AZÚCAR
<1
Influye en
La textura
El color
El aroma y sabor
La susceptibilidad al deterioro de los alimentos
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
Los alimentos con altos contenidos de agua, como los alimentos
frescos necesitan una forma efectiva de preservación para
almacenarlos por largos tiempos.
La conservación de todo alimento deshidratado o congelado
depende de las características del agua (líquida o sólida)
FORMAS EN QUE SE ENCUENTRA
EL AGUA EN LOS ALIMENTOS
AGUA LIBRE O “DISPONIBLE”
AGUA LIGADA
En los alimentos no hay agua totalmente libre, ni agua totalmente
inmovilizada.
Nivel macroscópico
Agua ligada e hidratación
Son términos similares y se refieren a la tendencia del
agua a asociarse con diferentes grados de tenacidad a
sustancias hidrofílicas.
Capacidad de retención de 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.
Ejemplos:
(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
Tiene profundos efectos sobre la calidad de los alimentos
AGUA LIBRE O “DISPONIBLE”
Puede encontrarse:
 Absorbida superficialmente: Depende de la humedad
ambiente y es de fácil eliminación.
 Retenida estéricamente por fibras, membranas o en
macrocapilares. La disgregación final del material facilita
su liberación
AGUA LIGADA
Nivel molecular: agua ligada
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.
Agua 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.
AGUA LIGADA
Características principales:
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.
AGUA LIGADA
Pueden coexistir dos tipos:
 Agua fuertemente ligada (Tipo I) por puentes de
hidrogeno de alta energía a grupos polares de diversos
componentes del alimento, conformando una monocapa
molecular alrededor de ellos.
 Agua débilmente ligada (Tipo II) se trata de moléculas de
agua que se fijan a solutos por puente de hidrogeno y en
sucesivas capas, cada vez con menor intensidad de
atracción.
Ejemplos de la proporción de agua congelada en
algunos alimentos en función de la temperatura
Disminución del punto de congelación del agua con
el agregado de ClNa y de glucosa
El agua y los iones inorgánicos
simples experimentan interacciones
dipolo-ion.
ACTIVIDAD DEL AGUA
.
Se ha observado que diversos alimentos con el mismo contenido de
humedad difieren significativamente en su estabilidad microbiológica.
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.
El agua asociada fuertemente podría ser menos capaz de participar en
actividades degradativas tales como:
Crecimiento de microorganismos ( la velocidad de crecimiento
es función de la aw )
Reacciones químicas hidrolíticas.
El término actividad del agua (aw) se 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 confiable a partir
de la aw que del contenido en agua.
ACTIVIDAD DEL AGUA
Disponibilidad de agua para el crecimiento microbiano y
reacciones bioquímicas
Relación entre la presión de vapor en equilibrio de la
muestra (p) y la presión de vapor en equilibrio del agua
pura (p0) a la misma temperatura
aw =p/p0
rango entre 0 – 1
También se relaciona con la humedad relativa de equilibrio
del ambiente, que está en contacto con el alimento y con
n1 los moles del solvente y n2 los moles del soluto.
aw = % HRE / 100 = n1 / (n1 + n2 )
DISPONIBILIDAD DE AGUA PARA EL
CRECIMIENTO MICROBIANO
Muestras con valores de aw < 0.6 (alimentos secos)
El término actividad del agua aw es un buen indicador de la
alterabilidad de los alimentos, pero aún imperfecto, puesto
que otros factores influyen sobre la velocidad de
degradación tales como:
- Concentración
aw
de O2
- pH
- Movilidad del agua
- Tipos de solutos
Efecto específico del soluto
Mínima actividad de agua para el crecimiento de Staphylococcus aureus
influenciado por el soluto utilizado para el control de la aw (Chirife, 1994)
ISOTERMAS DE SORCIÓN
Son representaciones gráficas que interrelacionan el contenido de
agua (expresado como masa de agua/masa de materia seca) de
un alimento con su actividad del agua a temperatura constante.
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.
Se utiliza:
a) En los procesos de deshidratación y concentración, porque la
facilidad o dificultad para eliminar el agua está relacionada con aw.
b) Para formular mezcla de alimentos evitando la migración de
humedad entre los diversos ingredientes.
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.
Isoterma de sorción de humedad generalizada de un alimento a 20 ºC
ZONA I
El alimento posee el agua más fuertemente adsorbida y más inmóvil, está
asociada a sitios polares accesibles por interacciones agua-ion o aguadipolo.
La Entalpía de vaporización es mucho mayor que la del agua pura.
No puede congelarse a –40 °C.
No sirve como solvente
No 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 de BET: Cantidad de agua necesaria para formar una capa
sobre los grupos altamente polares y accesibles de la materia seca.
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.
El agua de la zona I y II constituye
menos del 5 % del agua de un
producto
alimenticio
de
alta
humedad.
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 o global.
Forma parte de las soluciones que disuelven las sustancias de bajo peso
molecular, es la más abundante, fácil de congelar y evaporar, y su
eliminación reduce la actividad del agua a 0.8.
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)
ZONA III
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.
Monocapa
Agua Libre
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.
Agua no
disponible
aw
Agua menos
disponible
Agua muy
disponible
Agua pura
0
0,25
No eliminable
0,8
1
Eliminable por Eliminable por
secado
secado y congelación
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.
Esta falta de coincidencia o desviación se conoce como histéresis.
EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE aw
El valor de aw se incrementa cuando se eleva la temperatura, ya
que igualmente lo hace la presión de vapor.
a 40 ºC la línea corta aw > a 0,8
a 20 ºC la línea se desplaza a la
monocapa
Humedad
•En general, muy pequeñas fluctuaciones de temperatura pueden
ocasionar grandes modificaciones en la actividad del agua.
Actividad del agua
aw a temperaturas sub-crioscópicas
a) La relación es lineal a temperaturas de congelación
b) La influencia de la temperatura sobre la aw es 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.
aw =
pff
po(scw)
=
phielo
po(scw)
pff = es la presión parcial del agua de un alimento parcialmente congelado
po(SCW) = es la presión de vapor del agua pura superenfriada
phielo = es la presión de vapor del hielo puro.
Relación entre la aw y la temperatura para un alimento
complejo por encima y debajo del punto de congelación
1) A temperaturas superiores a la de congelación, la aw es 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.
aW 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 relativa de algunas reacciones que ocurren en los
alimentos graficada versus la aw a la que están almacenados
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
1
=
m (1 – aw)
C-1
+
m1 C
aw
m1 C
aw es la actividad de agua, m es el contenido de humedad (g H2O/g
materia seca), m1 es el valor de la monocapa de BET y C una constante.
CONTENIDO DE HUMEDAD DE UNA ISOTERMA PROMEDIO
mi
Humedad componente A
mezcla
componente B
Actividad del agua
mi = fa . ma + fb . mb + fx . mx + ……= g H2O / g sólidos totales
Donde: fa = Wa/WT y fb = Wb/WT
Wa = g totales de sólido seco de “a”
Wb = g totales de sólido seco de “b”
WT = g totales de sólidos (bs)
EJEMPLO:
Tenemos 100 g de una mezcla de alimentos
Hallar el contenido de humedad medio, mi a una aw = 0,5
aw = 0,5
Cereal
Pasas de uva
mx (g/100 g sólido seco)
5
12
% en la fórmula
20
80
19,0
71,4
19,0/90,4 = 0,21
71,4/90,4 = 0,79
g de sólidos secos (Wx)
fx
Total de sólidos = 19,0 g + 71,4 g = 90,4 g
mi = fa . ma + fb . mb = 0,21 . 5 + 0,79 . 12 =
= 10,53 g H2O / 100 g de sólidos totales
CÁLCULO Y PREDICCIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA
Alimentos semi-húmedos
Soluciones
Diluidas
Sólidos insolubles
Concentradas
*Raoult
Electrolitos
*Pitzer (1973)
No electrolitos
*Norrish (1966)
*Pitzer y Mayorga (1973)
*Bromley (1973)
Mezclas
*Ross (1975)
*Ferro Fontán y Chirife (1981)
*Lilley y Sutton (1991)
¿Cómo
modificar la aw de los alimentos?
Para lograr estabilidad desde el punto de vista microbiológico
• Eliminación del agua que contienen (Deshidratación)
• Agregado de solutos (Azúcar o Sal )
BIBLIOGRAFIA:

BELITZ, H.D.; GROSCH, W. 1997. “Química de los Alimentos”
(2 edición). Ed Acribia
 FENNEMA, O. “Química de los Alimentos” (2 edición). Ed
Acribia
 SALVADOR BADUI DERGAL. 2006. “Química de los Alimentos”
(4 Edición) Ed Pearson