Agua y Actividad de Agua en Alimentos: Análisis Científico

AGUA Y ACTIVIDAD DE AGUA EN LOS ALIMENTOS
INTRODUCCION
En este planeta, el agua es la única sustancia que existe abundantemente en los tres estados físicos. Además, es el componente mayoritario de los seres vivos y, por lo tanto, de los
alimentos, variando su contenido desde un 60 - 70% en la carne hasta un 90 - 95% en las
verduras. El agua es esencial para la vida por ser:
• Portadora de sustancias nutritivas y de productos de desecho.
• Altamente reactiva y, al tiempo, un medio donde se realizan las reacciones.
• Un estabilizador de las configuraciones biopolímeras.
• Un determinante de las reacciones con otras moléculas.
La presencia de agua en cantidades adecuadas y con una localización definida es
imprescindible en los alimentos para que tengan una calidad aceptable para el consumidor.
Sin embargo, el contenido en agua de los alimentos hace que éstos sean altamente
perecederos, y por ello se requieren métodos efectivos de conservación si se pretende
almacenar estos productos durante largos períodos. Es bien conocido que la extracción del
agua por deshidratación o la transformación al estado sólido (congelación)-de un alimento,
son métodos muy eficaces para la conservación de los alimentos, aunque altera sus
propiedades.
Si se pretende conocer el papel que juega el agua en los alimentos, o en cualquier tipo de
material biológico, es necesario primero un estudio de la estructura y propiedades del agua y
del hielo.
CONSTANTES FISICAS DEL AGUA Y DEL HIELO
Al comparar las propiedades físicas del agua y del hielo con otras sustancias de masas
moleculares similares (CH4, NH3, SH2 y etc.) y otros líquidos (metanol, etanol, acetona, etc.)
se observa que el agua se comporta de una forma totalmente anormal, ya que posee unos
valores muy altos, no habituales, del punto de fusión (0 °C a 101,3 kPa), del punto de
ebullición (100 °C a 101,3 kPa), de la tensión superficial (0,0756 N m-1 a 0 °C), de la
capacidad calorífica (4,2177 kJ kg-1 K-1 a 0 °C) y calores de fusión (6,012 kJ mol-1), de
vaporización (40,63 kJ mol-1) y sublimación (50,91 kJ mol-1). Por el contrario, tiene una
densidad moderadamente baja (0,999841 g cm-3 a 0 °C la del agua; la del hielo a 0 °C es
de 0,9168 g cm"3) y una densidad máxima, totalmente anormal, a 3,98 °C, así como una
dilatación, también anormal, al pasar al estado sólido. Su viscosidad, por otra parte y a la
vista de las propiedades anteriores, es extremadamente normal.
De gran interés es el hecho de que la conductividad térmica del hielo a 0 °C (2,24 W m-1 K1
) es cuatro veces mayor que la del agua a la misma temperatura (0,57 W m-1 K-1), lo que
indica que el hielo conduce la energía calorífica a una velocidad mayor que el agua
inmovilizada (por ejemplo, en los tejidos). Es importante también la difusividad térmica, ya
que indica la velocidad a la que los alimentos sufren cambios de temperatura. La del hielo
(11,7 x 10-7 m2 s-1) es, a 0 °C, unas nueve veces mayor que la del agua (1,3 x 10~7 m2 s-1).
Las diferencias existentes entre los valores de conductividad y difusividad térmica de agua y
hielo explican por qué los tejidos se congelan más rápido que se descongelan.
LA MOLECULA DEL AGUA
Las anormales constantes físicas del agua sugieren la existencia de fuerzas de atracción
muy fuertes entre las moléculas y una estructura, tanto del agua como del hielo, poco
común.
En la molécula de agua (figura 1), el átomo de oxígeno comparte un par de electrones con
cada uno de los átomos de hidrógeno, por superposición de los orbítales híbridos sp3 del
átomo de oxígeno. Se forman así dos enlaces covalentes (2/3 de carácter covalente y 1/3
de carácter iónico).
Figura 1. Modelo esquemático de una molécula de agua.
Mediante análisis espectroscópicos y de rayos X, se han determinado con precisión los
ángulos de valencia y las longitudes. El ángulo de valencia medio para el enlace H-O-H en
el agua es de 104,5° que le proporciona una configuración tetraédrica casi perfecta (el
ángulo del tetraedro es 109 ° 28') de los cuatro orbitales sp3 posibles del átomo de oxígeno.
La explicación de esta ligera desviación es que los electrones no compartidos del átomo de
oxígeno tienden a repeler a los electrones pareados. La distancia media entre H-0 es de
0,096 nm. Esta disposición de los electrones en la molécula de agua le confiere asimetría
eléctrica. El átomo de oxígeno electronegativo tiende a atraer los electrones no compartidos
del átomo de hidrógeno. El resultado es que cada uno de los dos átomos de hidrógeno
posee una carga local parcial positiva; el átomo de oxígeno, a su vez, posee una carga local
parcial negativa. De esta forma, la molécula de agua es un dipolo eléctrico. El grado de
separación de las cargas positivas y negativas en; la molécula dipolar se expresa por el
momento dipolar que constituye una medida de la tendencia de una molécula a orientarse
en un campo eléctrico.
La naturaleza dipolar de la molécula de agua aislada hace que se produzca una fuerte
atracción electrostática entre la carga parcial negativa, situada sobre el átomo de oxígeno
de una molécula de agua, y la carga parcial positiva situada sobre el átomo de hidrógeno de
otra molécula de agua adyacente, dando lugar a enlaces de hidrógeno. A causa de la
ordenación aproximadamente tetraédrica de los electrones en el átomo de oxígeno, cada
molécula de agua tiende a establecer enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas de
agua vecinas. En comparación con los enlaces covalentes, con una energía de enlace
(energía necesaria para disociar el enlace) de 335 kJ mol-1, los enlaces de hidrógeno tienen
una energía de enlace mucho más débil (2 - 40 U mol-1).
Como los enlaces covalentes de la molécula de agua están localizados sobre dos de los
ejes del tetraedro imaginario, estos dos ejes representan líneas positivas de fuerza (sitios
dadores). Pero en el átomo de oxígeno permanecen otro par de orbitales sobre otros dos
ejes del tetraedro y representan líneas negativas de fuerza (sitios receptores de enlaces de
hidrógeno). En virtud de estas cuatro líneas.de fuerza, cada molécula de agua puede
establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas, obteniéndose, como
resultado, una estructura también tetraédrica (figura 2).
Debido a que la molécula de agua tiene un número igual de sitios receptores que dadores
de puentes de hidrógeno que permiten una disposición tridimensional, hace que existan
unas fuerzas de atracción muy grandes entre las moléculas de agua, sobre todo si se
compara con las fuerzas de atracción de otras moléculas pequeñas con configuración
tetraédrica, tal como el NH,, que tiene tres hidrógenos y sólo un sitio receptor, o el FH con
un hidrógeno y, por lo tanto, tres sitios receptores. Ambos no tienen igual número de
receptores y dadores y, por ello, sólo pueden formar enlaces de hidrógeno en sentido
bidimensional y, en consecuencia, un menor número de enlaces de hidrógeno entre sus
moléculas que en el agua.
Figura 2. Configuración tetraédrica de moléculas de agua unidas por enlaces de
hidrógeno. O: Oxigeno; ☻hidrógeno. Fuente: Fennema (1996).
La disposición tridimensional de las moléculas del agua explica muchas de las propiedades
anormales que posee: su gran capacidad calorífica, su alto punto de fusión y de ebullición,
su tensión superficial, los altos valores de los calores de fusión, vaporización y sublimación;
todos ellos relacionados con la gran cantidad de energía que se necesita para romper los
enlaces de hidrógeno intermoleculares.
ESTRUCTURA DEL HIELO Y DEL AGUA
El agua, con sus fuerzas dirigidas en las tres direcciones del espacio y en el sentido de los
cuatro ejes de un tetraedro, cristaliza en una estructura abierta de baja densidad. La
distancia entre los dos átomos de oxígeno más cercanos es de 0,276 nm y el ángulo que
forman tres átomos de oxígeno es ligeramente superior a 109° (muy próximo al ángulo del
tetraedro perfecto, 109° 28'). En el hielo, cada molécula de agua se halla unida por enlaces
de hidrógeno a exactamente otras cuatro moléculas de agua que se asocian de tal forma
que se obtiene una estructura hexagonal, que es la combinación de dos planos paralelos
muy cercanos con los átomos de oxígeno distribuidos de forma regular. Esta disposición
constituye una estructura basal. Cuando varias estructuras básales se unen se obtiene la
estructura habitual del hielo.
El hielo puro no es un sistema estático constituido sólo por moléculas de agua dispuestas
en un orden preciso sino que es un sistema dinámico porque, al margen de contener en
cantidades vestigiales ciertos isótopos (deuterio, tritio, 1 H, 17 O, 18 O, etc.), que pueden
ignorarse en la mayoría de los casos, los cristales de hielo nunca son totalmente perfectos,
existiendo defectos de tipo orientacional (causados por dislocación de protones) o iónico
(formación de H3O+ y OH-) que explican la mayor movilidad de los protones en el hielo que
en el agua; se cree que están en vibración continua que disminuye al hacerlo la
temperatura, siendo necesario alcanzar temperaturas del orden de -183 °C para fijar los
átomos de hidrógeno y conseguir un sistema estático. Este estado dinámico del hielo se ha
relacionado con la actividad de ciertas reacciones que, aunque sea lentamente, siguen
progresando en los alimentos bajo congelación.
En el hielo cada molécula de agua está unida a otras cuatro moléculas vecinas. En el agua
líquida a O °C cada molécula de agua se halla unida, en cualquier momento, a otras 3-4
moléculas; por otra parte, la distancia entre dos átomos de oxígeno es superior a la que se
encuentra en el hielo: 0,29 nm a 15 °C y 0,305 nro a 83 °C. A partir del calor de fusión del
hielo se ha calculado que cuando éste se funde a O °C, sólo se rompen un 15% de los
enlaces de hidrógeno existentes en el hielo. El agua líquida puede considerarse, pues,
como hielo quebrantado. Entre las moléculas de agua a 100 °C existen todavía fuertes
atracciones, como parece indicar el elevado calor de vaporización. En realidad, los enlaces
de hidrógeno no se disocian totalmente hasta que el vapor de agua se calienta por encima
de los 600 °C.
Entre el agua y el hielo existe, pues, una pequeña diferencia en la cantidad de enlaces de
hidrógeno establecidos, lo cual puede parecer sorprendente si se compara la rigidez del
hielo con la fluidez del agua. La teoría más difundida para dar una explicación aceptable
reside en la velocidad con que se establecen y rompen los enlaces de hidrógeno. Aunque
en un instante determinado la mayor parte de las moléculas en el agua líquida están unidas
por puentes de hidrógeno, la vida media de cada enlace de hidrógeno es sólo de l0-10 a 1011
segundos. La estructura del agua es, por lo tanto, sólo estadística, ya que es el resultado
de una media obtenida en el espacio y en el tiempo. Por consiguiente, es a la vez fluida y
estable. Se ha empleado el término de agrupaciones fluctuamos para designar los grupos
de moléculas de agua, de vida corta y estructura similar a la del hielo, existente en el agua
líquida.
La velocidad con que se forman y escinden los enlaces de hidrógeno en sistemas acuosos
supera, en mucho, a la velocidad de formación y destrucción de la mayoría de los enlaces
covalentes. Esta característica confiere a los enlaces de hidrógeno una gran ventaja
biológica en lo que se refiere a las reacciones biomoleculares.
PROPIEDADES DISOLVENTES DEL AGUA
El agua, por su naturaleza dipolar, disuelve o dispersa muchas sustancias; es un disolvente
mucho mejor que la mayor parte de los líquidos corrientes. Muchas sales cristalizadas y
otros compuestos iónicos se disuelven con facilidad en el agua pero son casi insolubles en
los líquidos apelares, tales como el cloroformo o el benceno. Puesto que la red cristalina de
las sales, por ejemplo el cloruro sódico, se mantiene unida mediante fuertes atracciones
electrostáticas entre iones positivos e iones negativos alternantes, se necesita de una
energía considerable para separar a estos iones unos de otros. El agua disuelve, no
obstante, al NaCl cristalizado gracias a las fuertes atracciones electrostáticas entre los
dipolos del agua y los iones Na+ y Cl- que forman los iones hidratados correspondientes,
muy estables, y superan con ello la tendencia de los iones Na+ y Cl- a atraerse mutuamente.
La solvatación iónica se ve favorecida también por la tendencia del disolvente a oponerse a
la atracción electrostática entre los iones positivos y negativos que viene expresada por la
constante dieléctrica D, definida por la fórmula:
F = e1 e2 / Dr2
donde:
F = fuerza de atracción entre dos iones de carga opuesta.
e1 y e2 = las cargas de los iones.
r = distancia entre los iones.
El agua posee una constante dieléctrica muy elevada, comparada con la de disolventes
orgánicos (agua 80; metanol 33; etanol 24; acetona 21,4; benceno 23; hexano 1,9). Las
fuerzas de atracción en el agua existentes entre los iones Na+ y Cl-, por ejemplo a una
determinada distancia, son sólo un catorceavo de la que mostrarían en el benceno; es un
factor que favorece la hidratación de los iones y la desorganización de la red cristalina.
Otro tipo de sustancias que se disuelven en el agua con facilidad son los compuestos no
iónicos pero de carácter polar, tales como los azúcares, alcoholes, aldehídos y cetonas. Su
solubilidad se debe a la tendencia de las moléculas de agua a establecer enlaces de
hidrógeno con los azúcares y alcoholes y el átomo de oxígeno del grupo carbonilo de los
aldehídos y las cetonas.
INTERACCIONES DEL AGUA CON SUSTANCIAS APOLARES
El agua también dispersa muchos compuestos que contienen grupos apelares o hidrófobos
formando micelas, siempre que tales compuestos posean también grupos fuertemente
polares. Este tipo de interacción resulta posible por el establecimiento de enlaces de
hidrógeno que, en este caso, no se establecen entre las moléculas del soluto y del
disolvente, sino entre las moléculas del disolvente. Los compuestos que contienen grupos
muy hidrófobos y grupos fuertemente polares simultáneamente se denominan anfipáticos.
Las biomoléculas antipáticas más comentes que tienden a formar micelas son ácidos
grasos y lípidos polares. También, en la mayor parte de las proteínas alrededor del 40% del
total de aminoácidos tienen cadenas laterales no polares, tal como el grupo metilo de la
alanina, el isoprppilo de la valina, el mercaptometilo de la cisteína, el metilo e isobutilo de
las leucinas, etc.
Un ejemplo sencillo de interacción hidrófoba es la sal sódica del ácido Oleico (figura 3).
El oleato sódico tiene muy poca tendencia a disolverse en el agua en forma de una disolución molecular verdadera ya que su larga cadena hidrocarbonada es intrínsecamente
insoluble en el agua. Sin embargo, se dispersa en el agua con facilidad, formándose
micelas en las que los grupos carboxilo negativamente cargados se hallan expuestos a la
fase acuosa y los grupos apolares permanecen ocultos dentro de la estructura micelar.
Tales micelas poseen una carga negativa neta y permanecen en suspensión debido a su
mutua repulsión.
Las micelas pueden contener centenares y aún millares de moléculas de la sustancia
anfipática. La localización interna característica de los grupos apolares en las micelas es el
resultado de la tendencia de las moléculas de agua a adoptar el estado de máxima libertad
(entropía). En dicho estado el agua posee una cohesión interna enorme a causa de los
enlaces de hidrógeno. La inserción de una estructura no polar, como una cadena
hidrocarbonada, en el agua necesita de energía puesto que las moléculas de agua que la
rodean se verán forzadas a adoptar una ordenación más regular, que posea menos
entropía o libertad que el agua pura. Es decir, las micelas se forman porque el agua tiene
más afinidad por sus propias estructuras que por las no polares.
Agua
Figura 3. Micela de oleato sódico. ☻: grupos carboxilo.
: grupos apolares.
En el interior de las micelas existen fuerzas de atracción adicionales entre las estructuras
hidrocarbonadas adyacentes, manifestadas por las interacciones de Van der Waalls. Por no
existir un enlace estequiométrico verdadero entre los grupos no polares de una micela es
más apropiado emplear el término de interacción hidrófoba que el de enlace hidrófobo para
referirse a la asociación de las porciones hidrófobas de las moléculas antipáticas. En
comparación con los enlaces de hidrógeno, las interacciones hidrófobas poseen poco
carácter direccional pero tienden á producir sistemas de elevada estabilidad.
EFECTOS DE LOS SOLUTOS EN LA ESTRUCTURA DEL AGUA
La presencia de un soluto iónico, como el NaCl, origina un cambio en el agua líquida, ya
que cada uno de los iones Na+ y Cl- se halla rodeado de una capa de dipolos de agua.
Estos iones hidratados poseen una geometría algo diferente a la de las agrupaciones de
moléculas de agua pura unidas por enlaces de hidrógeno. Las distancias interiónicas
medias en disoluciones acuosas de un soluto disminuyen a medida que aumenta la
concentración del soluto.. En el NaCl, por ejemplo, cuando su concentración es de 0,15 M
(concentración aproximada en el plasma sanguíneo), los iones Na+ y Cl- se hallan
separados 1,9 nm. Puesto que cada ion Na+ y Cl- hidratado posee un diámetro de 0,5 a 0,7
nm, y un agrupamiento tetraédrico de cinco moléculas de agua que tiene un diámetro de
aproximadamente 0,5 nm, está claro que debe haber un cambio considerable en la
estructura tridimensional y en las propiedades del agua líquida cuando se disuelve NaCÍ en
ella. Las sales rompen la estructura del agua.
El efecto de un soluto en el disolvente se manifiesta también en las propiedades coligativas
(presión osmótica, punto de ebullición, punto de congelación, presión de vapor, etc.) de las
disoluciones, las cuales dependen del número de partículas del soluto por unidad de volumen del disolvente. Los solutos producen efectos característicos en el disolvente tales como el descenso del punto de congelación, la elevación del punto de ebullición y la disminución de la presión de vapor. Confieren también a la disolución la propiedad de la presión osmótica.
EFECTOS DE LOS SOLUTOS EN LA ESTRUCTURA DEL HIELO
La cantidad y la clase de soluto influyen en el tamaño, estructura, localización y orientación
de los cristales del hielo. Se han realizado varios estudios sobre la naturaleza de los cristales de hielo en presencia de distintos solutos (glicerol, gelatina, albúmina, miosina, etc.).
Con estos solutos se forman cuatro tipos de estructura principalmente: formas hexagonales,
dendritas irregulares, esférulas toscas y esférulas evanescentes. No obstante, también pueden formarse una gran variedad de tipos intermedios.
La forma hexagonal es la normal, con una ordenación más perfecta; parece ser que se da
en las muestras que se congelan a una temperatura moderadamente baja (no en la
congelación rápida). La forma hexagonal es reproducible con todos los solutos
anteriormente citados excepto con la gelatina. Con este soluto la estructura del hielo posee
un desorden mayor que en la forma hexagonal. Las disoluciones de gelatina forman
cristales de hielo cúbicos o vitreos que llegan a ser más abundantes a medida que se
incrementa la velocidad de congelación o la concentración de gelatina. Aparentemente la
gelatina, que es una molécula de gran tamaño, compleja e hidrófíla, puede restringir el
movimiento de las moléculas de agua y la facultad que tienen para formar estructuras hexagonales.
En general, puede decirse que aunque se pueden formar estructuras diferentes a la hexagonal en los alimentos y material biológico, no son habituales.
ACTIVIDAD DE AGUA
El agua es, probablemente, el factor individual que más influye en la alterabilidad de los
alimentos. Por otra parte, está perfectamente demostrado que alimentos con el mismo
contenido en agua se alteran de forma distinta, de lo que se deduce claramente que la
cantidad de agua por sí sola no es un fiel indicativo, de deterioro de los alimentos. Como
consecuencia de este hecho, surgió el concepto de actividad de agua (aW ), que ha sido
muy valorado en estudios sobre alteraciones de alimentos por estar directamente
relacionado con el crecimiento y actividad metabólica de los microorganismos y con las
reacciones hidrolíticas.
La utilidad de la aW ha sido, a veces, devaluada debido a que no siempre se puede predecir totalmente el crecimiento microbiano, ya que la respuesta de los microorganismos es
diferente dependiendo del soluto que sea responsable del valor de aW. Sin embargo, en
términos generales puede decirse que gracias a este concepto se puede calcular la
estabilidad de muchos alimentos, mejorar procesos de concentración y deshidratación de
alimentos e, incluso, diseñar nuevos productos más estables.
El término de aW indica la intensidad de las fuerzas que unen el agua con otros componentes no acuosos y, en consecuencia, el agua disponible para el crecimiento de microorganismos y para que se puedan llevar a cabo diferentes reacciones químicas y bioquímicas.
Cuando se añade un soluto al agua pura, las moléculas de agua se orientan en la superficie
del soluto y se interrelacionan con él. Como consecuencia, disminuye el punto de
congelación, aumenta el punto de ebullición y disminuye la presión de vapor según la ley de
Raoult que dice: "la disminución relativa de la presión de vapor de un líquido al disolverse
en él un soluto es igual a la fracción molar del solvente".
La expresión matemática de la ley de Raoult es:
P / Po = n2 / n1 + n2
donde:
P = presión de vapor de la solución.
Po = presión de vapor del agua pura.
n1 = moles de soluto.
n2= moles de solvente.
La actividad de agua se define como la relación existente entre la presión de vapor de una
solución o de un alimento (P) con respecto a la presión de vapor del agua pura (Po), a la
misma temperatura.
aw = P / P0
El agua presente en los alimentos ejerce, por lo tanto, una presión de vapor que depende
de la cantidad de agua, de la concentración de solutos en el agua y de la temperatura.
Evidentemente, si no hay solutos, como es el caso del agua pura, la relación entre las
presiones es la unidad; en consecuencia, la aw de todos los alimentos es siempre inferior a
uno. Este descenso se explica porque los constituyentes químicos que están presentes
inmovilizan parcialmente el agua, con lo que disminuye su capacidad de vaporización y su
reactividad química.
En realidad, la aw es la relación entre la fugacidad del disolvente en la disolución (f) respecto a la fugacidad del disolvente puro (f0 ), entendiendo por fugacidad la tendencia que
presenta un disolvente a escapar de una solución. Sin embargo, a bajas presiones, como
es la presión ambiental, la deferencia entre la fugacidad y la presión de vapor es tan
pequeña (inferior a 1%) que normalmente se habla de presiones. Sería, por lo tanto, más
correcto expresarlo como:
aw = f / f0 P / P0
Dado que lo que se mide realmente son las presiones y a veces no coincide totalmente con
la aw, algunos autores han indicado que sería más razonable utilizar el término presión de
vapor relativa (PIPo). Sin embargo, dado lo extendido que está el término de aw en la
comunidad científica y la poca diferencia que representa, en este libro se ha preferido
utilizar dicho término.
La aw de un alimento y la humedad relativa del ambiente en el que se encuentra tienden
siempre a equilibrarse, por lo que a menudo, se expresa como humedad relativa de
equilibrio (%) (HRE):
aw = HRE/IOQ
La relación entre aw y el contenido en humedad de un alimento viene determinada por la
ecuación BET (Brunauer, Emmett, Teller):
aw / M (1 - aw) = 1 / M1 C + aw (C - l) / M1 C
donde:
M = humedad del producto (g/100 g de materia seca).
M1=contenido en agua correspondiente a la capa
monomolecular (g/100 g de
materia
seca).
C =constante relacionada con el calor de adsorción del agua retenida.
El valor de la capa monomolecular, denominada monocapa BET, representa el contenido
de humedad al cual el alimento es más estable. A contenidos más bajos, puede haber
oxidación lipídica, mientras que a contenidos mayores pueden existir actividades
enzimáticas, no enzimáticas y microbianas.
Realmente, la ecuación BET no permite ofrecer resultados precisos en todo el intervalo de
actividad de agua de un alimento, debido fundamentalmente a que los tratamientos aplicados a los alimentos durante su elaboración pueden alterar las propiedades de sorción de
agua de sus constituyentes. Además, durante la adsorción de agua, los componentes de los
alimentos pueden experimentar cambios en su estructura, constitución, etc. La ecuación
BBT sólo se confirma experimentalmente a valores de aw comprendidos entre 0,05 y 0,40.
Existen otras ecuaciones que también relacionan estos dos parámetros; todas ellas pueden
reproducir con cierto éxito los datos de humedad en equilibrio pero ninguna proporciona
resultados para un alimento en todo el intervalo de aw.
Como se ha indicado, cuando se define la actividad de agua es necesario especificar la
temperatura ya que estos valores son temperatura dependientes. A medida que ésta
aumenta, lo hace la aw porque aumenta la presión de vapor. Si se representa la aw de un
alimento con un contenido de agua constante, respecto a la temperatura se obtiene una
línea recta, (figura 4) pero sólo en un intervalo de temperatura.
Figura 4. Representación esquemática de la relación entre actividad de agua y
temperatura de una muestra determinada.
Cuando el alimento se aproxima al punto de congelación aumenta la pendiente de la recta,
lo que indica claramente que la influencia de la temperatura en la aw es mucho mayor a
temperaturas de congelación e inferiores. Cuando un alimento se congela se van formando
cristales de hielo prácticamente puro, mientras que los solutos migran a la fase líquida
donde se concentran cada vez más. Por lo tanto, la aw de los alimentos congelados, es
decir, en presencia de hielo, depende fundamentalmente de la temperatura y no influye el
tipo de solutos que se encuentran presentes. Por el contrario, en los alimentos no
congelados depende sobre todo de la composición y, en menor medida, de la temperatura.
En consecuencia, la información que aporta este valor en los alimentos a temperaturas
subcrioscópicas es mucho menor puesto que no está relacionada con la presencia de
solutos. Además, hay que añadir que el valor de la aw de los alimentos congelados es
menos indicativo de alterabilidad, ya que las temperaturas de congelación influyen por sí
solas en la viabilidad de los microorganismos y en las reacciones químicas y bioquímicas.
ISOTERMAS DE SORCION DEL AGUA
Las isotermas de sorción de agua son gráficas que relacionan el contenido en agua de un
alimento con su actividad de agua, o lo que es lo mismo, en función de la humedad relativa
de la atmósfera que rodea al alimento, una vez alcanzado el equilibrio y a una temperatura
constante (figura 5).
La gráfica predice claramente que ligeras variaciones en la humedad de un alimento con un
alto contenido en agua influye muy poco en su aw. Sin embargo, a contenidos de agua más
bajos, lo hace de una forma significativa. Aumentando la escala (figura 6) se puede ver lo
que ocurre en alimentos muy secos: pequeñas variaciones en la humedad provocan grandes cambios en la aw.
La mayoría de las isotermas de sorción de agua de los alimentos presentan una forma
sigmoidea con pequeñas variaciones según la estructura física, composición química,
temperatura y capacidad de retención de agua del alimento. Sin embargo, hay alimentos
que presentan en la primera parte de la curva una zona más plana; estas curvas, en forma
de J, son típicas de alimentos con un gran contenido en azúcar y solutos, que presentan
poca adsorción porcapilaridad, como las frutas y confituras.
En las isotermas de sorción de agua se pueden distinguir tres zonas poco delimitadas que
indican la forma en que el agua se encuentra ligada a los alimentos (figura 6):
• Zona a). Es el agua más fuertemente ligada y menos móvil. Se corresponde con el agua
de la capa monomolecular fija a los grupos polares de ciertos compuestos, especialmente a
NH3+ y COO- de las proteínas y a los grupos OH- de los almidones, así como al agua de
cristalización de azúcares y sales. Es muy difícil extraer, no es congelable y no se
encuentra disponible para actuar como disolvente o reactivo. Constituye una cantidad muy
pequeña del agua total de un alimento y corresponde a una aw inferior a 0,2 - 0,3. El límite
entre las zonas A y B es la denominada monocapa BET.
• Zona b). Comprende el agua correspondiente a las capas de hidratación de los
constituyentes solubles, es decir, proteínas, sales, azúcares, etc. Está ligada por puentes
de hidrógeno e interacciones dipolo-dipolo o retenida físicamente en microcapilares de
diámetro inferior a 1 u.m. El punto de congelación y la capacidad solvente se encuentran
muy reducidos. La aw está comprendida entre 0,20 - 0,30 y 0,80, aproximadamente.
Zona c). Representa la mayor parte del agua de los tejidos frescos. Es el agua menos
ligada y más móvil de los alimentos aunque el punto de congelación está algo disminuido.
Se encuentra retenida físicamente en membranas, capilares (diámetro superior a 1 u,m),
geles, etc., por lo que se puede eliminar fácilmente por diversos procedimientos. Su
retención está determinada por el pH y las fuerzas iónicas. Es la responsable de la
alteración de los alimentos ya que está disponible para el desarrolló de microorganismos y
las reacciones químicas. Equivale a una a de 0,80-0,99;
Al representar las isotermas de sorción de agua de un alimento es necesario indicar a la
temperatura que han sido construidas. Lógicamente, si la aw es dependiente de la
temperatura, ésta influirá también en las isotermas de sorción (figura 7). Esta dependencia
sólo es importante a valores de aw inferiores a 0,4-0,5. En la figura se observa que para un
mismo contenido en agua, la aw aumenta a medida que lo hace la temperatura.
Si se sitúa un alimento en un ambiente con una humedad relativa (HR) superior a la humedad relativa de equilibrio (HRE) del alimento, éste fijará vapor de agua tendiendo a alcanzar
el equilibrio, es decir, adsorberá agua. Si, por el contrario, el alimento se coloca en un
ambiente cuya HR sea inferior a la HRE correspondiente al contenido de agua del producto,
éste cederá agua mediante el proceso llamado desorción. En general, la isoterma de
adsorción para un producto determinado no es superponible a la isoterma de desorción.
Esta falta de coincidencia de las dos gráficas se conoce como histére-sis de las isotermas
de sorción de agua y se detecta sobre todo en la zona intermedia de las gráficas (figura 8).
La magnitud de la histéresis es variable y depende de diferentes factores como son la
naturaleza del alimento, los cambios físicos ocurridos cuando se añade o elimina agua, el
grado de desorción, la cantidad de agua eliminada durante la desorción y la temperatura (a
medida que disminuye se hace más evidente).
Los alimentos con una aw determinada, a una temperatura constante, siempre presentan
mayor contenido de agua durante la desorción que en la adsorción.
Los principales argumentos que se han ofrecido para explicar este fenómeno no totalmente
aclarado son:
a) Durante la desorción el alimento desprende agua que estaba más o menos ligada, es
decir, agua que no está totalmente libre. Sin embargo, en la adsorción el agua captada no
tiene o tiene menos puntos a los que unirse debido a las interacciones de los constituyentes
no acuosos durante la desorción, por lo que el agua se encuentra más libre. Con el mismo
contenido en agua hay más agua libre en la adsorción o, lo que es lo mismo, la actividad de
agua es mayor en la adsorción.
b) El alimento retiene agua dentro de los capilares; durante la adsorción, el agua captada
tiene más dificultad para entrar ya que la presión de vapor de agua que se necesita para
que penetre en los capilares es mayor que para que salga, por lo que con el mismo
contenido en humedad en la adsorción hay más cantidad de agua fuera de los capilares y
en la desorción dentro de ellos. Además, durante la desecación, los capilares se pueden
obstruir y disminuir el diámetro interior. También influye la viscosidad del producto, que es
mayor en la adsorción que durante la desorción, debido al menor contenido en agua.
Este fenómeno es de especial importancia en aquellos productos deshidratados que necesitan ser rehidratados para su comercialización. Presentarán una actividad de agua
ligeramente superior a la esperada con el consiguiente peligro de deterioro. Igualmente, es
necesario tenerlo en cuenta en los alimentos envasados que sean muy higroscópicos.
APLICACIONES DE LAS ISOTERMAS DE SORCION EN TECNOLOGIA DE LOS
ALIMENTOS
Las isotermas de sorción de agua de los alimentos son de gran utilidad en diferentes aspectos:
1. Permiten evaluar la estabilidad de los alimentos. La disminución de la aw frena el
crecimiento de los microorganismos (en este orden: bacterias, levaduras y mohos) de
tal forma que se detiene totalmente a valores de 0,6 o inferiores. Igualmente, la
velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en un alimento, tanto
enzimático como no enzimático, está en función de la cantidad de agua disponible. A
medida que disminuye la aw, la velocidad de reacción se va haciendo más lenta. A
valores comprendidos entre 0,2-03 cesan completamente. La excepción la constituye
la oxidación lipídica, que es mínima a estos valores pero aumenta a medida que
sigue descendiendo la aw Por tanto, la máxima estabilidad de los alimentos se da en
estos valores.
2. Permiten prever la aw de mezclas de diversos ingredientes. Siempre existe un
intercambio de agua de un componente a otro de un alimento para llegar al equilibrio.
Las isotermas permiten conocer la aw de los componentes de la mezcla y, en
consecuencia, la estabilidad de cada uno de ellos y, por lo tanto, de la mezcla.
3. Permiten estimar el tiempo máximo de almacenamiento de un producto en un
envase, con una permeabilidad al vapor de agua conocida, en función de la cantidad
de agua adsorbida. Igualmente, se puede establecer el comportamiento de un
alimento en distintas condiciones de almacenamiento.
4. Permiten mejorar los procesos de conservación basados en la reducción del |
contenido en agua puesto que mediante las isotermas de sorción podemos determinar cuál es el contenido de humedad residual óptima para un alimento determinado. Si la humedad es demasiado elevada el producto presentará menor
estabilidad, mientras que si la humedad final es muy baja representa un gasto
adicional en la operación. La facilidad o dificultad para eliminar agua de un alimento
está relacionada con la aw.
5. Permiten determinar la temperatura óptima de almacenamiento de productos
congelados, estableciendo una relación entre ésta y la aw. La inmovilización del agua
en forma de hielo y el consiguiente aumento de la concentración de solutos en el
agua no congelada disminuye la actividad de agua del alimento.
BIBLIOGRAFIA
BELITZ, H. D. y GROSCH. W. (1997): Química de los Alimentos. 2a ed. Acribia. Zaragoza.
CHEFTEL, J. C. y CHEFTEL, H. (1980): Introducción a la Bioquímica y Tecnología de los
Alimentos. Vol. 1. Acribia. Zaragoza.
FENNEMA, O. R. (1996): Food Chemistry. 3a ed. Marcel Dekker, Inc. Nueva Cork
MAN, J. M. de (1990): Principies of Food Chemistry. Van Nostrand Reinhold. Nueva York.
RESUMEN
1. El agua es la sustancia mas abundante en los seres vivos y, por lo tanto, en los
alimentos. Las propiedades físicas del agua y del hielo son muy anómalas en
comparación con los de otras sustancias de masa molecular similar, y derivan de las
fuertes interacciones moleculares entre las moléculas de agua.
2. En estado líquido, las moléculas de agua originan tetraedros unidos por enlaces de
hidrógeno que se forman y destruyen a gran velocidad. La diferencia entre la
estructura del agua y del hielo se debe a la velocidad de formación y destrucción de
estos enlaces más que a la cantidad de los que se establecen.
3. La capacidad de establecer enlaces de hidrógeno y la polaridad de la molécula de
agua hacen de ella un gran disolvente tanto para compuestos iónicos como no
iónicos de carácter polar. El agua dispersa también moléculas antipáticas, formando
micelas que son agrupaciones de moléculas en las que los grupos hidrófobos permanecen ocultos en la estructura micelar y los grupos polares se hallan expuestos a
la (ase acuosa.
4. El contenido de agua de los alimentos es uno de los factores individuales que más
influye en su alterabilidad, aunque alimentos con el mismo contenido en agua
pueden sufrir un proceso de alteración diferente.
5. La actividad de agua se define como la relación entre la presión de vapor de un
producto y la presión de vapor del agua pura, a la misma temperatura. La actividad
de agua determina el agua que en un determinado alimento se encuentra disponible
para el crecimiento microbiano y el progreso de diferentes reacciones químicas y
bioquímicos.
6. Las isotermas de sorción de agua son gráficas que relacionan, a una temperatura
constante, el contenido en agua de un alimento con su actividad de agua, una vez
alcanzado el equilibrio; son propias de cada grupo de alimentos y permiten estimar la
estabilidad de un producto frente a los diversos agentes alterantes.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA –UNADESCUELA DE CIENCIAS
BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIALECCION EVALUATIVA UNIDAD 1: 202015QUÍMICAY ANÁLISIS DELOS ALIMENTOS -1-2013.Taller de Profundizaciónen la
Temáticade Actividad Acuosa1.
Calcular la Aw de una pulpa natural de manzana con la siguiente composición: 80% agua,
2% glucosa, 6% fructosa, 4% sacarosa.
2.Calcular la Aw de una pulpa natural de mango con la siguiente composición: 59.4%
agua, 6% glucosa, 7% fructosa, 7% sacarosa.
3.Cuál será la actividad acuosa de una mermelada, cuando dentro de su formulación tiene
el 50% de sacarosa con una humedad del 4%; un 0.70% de pectina con un peso molecular
4.Determinar la actividad de agua (Aw) de cada soluto de una solución azucarada
cuando se tiene una fracción molar de Xw= 0.98 y Xw = 0.81, considerando que
los solutos son: (nota: se recomienda que
se manejen cuatro cifras decimales
después
del
punto).solutoKPeso
MolecularSacarosa6.47342.30Fructosa2.25180.16lactosa10.2360.31E Indique: