el agua y la conservación de los alimentos

EL AGUA Y LA CONSERVACIÓN
DE LOS ALIMENTOS
LUIS A. BRUMOVSKY
INGENIERO QUÍMICO
MAGÍSTER EN TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS
DOCTOR EN CIENCIAS TÉCNICAS
PROFESOR TITULAR DE BROMATOLOGÍA Y NUTRICIÓN
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS QUÍMICAS Y NATURALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES
2015
Contenido de agua de varios alimentos
Alimentos
Contenido de H2O (%)
Carnes
Cerdo
53 - 60
Vaca
50 - 70
Pollo
74
Pescados
65 - 81
Frutas
Cerezas, peras
80 - 85
Manzanas, duraznos, cítricos
85 - 90
Frutillas, tomates
90 - 95
Vegetales
Palta, banana, arvejas
74 - 80
Remolacha, papa, zanahoria
80 - 90
Espárragos, judías, coles
90 - 95
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 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)
Nivel macroscópico:
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.
(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
2
Nivel molecular
Agua ligada
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.
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.
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.
3
Ejemplos de la proporción de agua congelada en algunos
alimentos en función de la temperatura
ACTIVIDAD DEL AGUA (aw)
Se ha observado que diversos alimentos con el mismo contenido de
agua difieren significativamente en su susceptibilidad a la alteración.
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, no participando en actividades
degradativas como:
Crecimiento de microorganismos.
Reacciones hidrolíticas.
El término 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 realista a partir de la aw que en función del
contenido de agua.
4
La actividad del agua se define de la siguiente manera:
aw = f/fo
f/fo
(1)
Donde f es la fugacidad del solvente y fo la fugacidad del solvente puro.
A bajas presiones f/fo
f/fo ~ p/po
p/po, así:
aw = p/po
p/po
(2)
Donde, aw es la actividad del agua, p es la presión parcial del agua encima
de la muestra y po es la presión de vapor del agua pura a la misma
temperatura.
Está relacionada con otros términos útiles como ser:
aw = HRE/100 = n1/(n1 + n2)
(3)
Donde, HRE es la humedad relativa de equilibrio (%) en torno al producto,
n1 son los moles del solvente y n2 los moles del soluto
Efecto de la temperatura sobre la presión de vapor del agua
800
760
700
633,9
P r e s i ó n (m m H g )
600
525,8
500
433,6
400
355,1
300
289,1
233,7
200
187,5
149,4
100
23,7 31,8
42,2 55,3
71,9
92,5
118
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Temperatura (ºC)
5
El término actividad del agua aw es un mejor indicador de la alterabilidad
de los alimentos, pero aún imperfecto, puesto que otros factores
influyen sobre la velocidad de degradación tales como:
Concentración de O2
pH
Tipos de solutos
Movilidad del agua
Mínima actividad de agua de crecimiento de dos bacterias, donde la aw
fue disminuida por adición de distintos componentes
Componente
Sthapylococcus aureus
Lactococcus lactis
Etanol
0,973
---
Polietilen glicol
0,927
---
Glicerol
0,89
0,924
Sacarosa
0,87
0,949
ClNa
0,86
0,965
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)
6
Actividad del agua aproximada de algunos alimentos versus la
fracción másica de agua (w)
ISOTERMAS DE SORCIÓN
Son representaciones gráficas que interrelacionan la actividad del
agua de un alimento con su el contenido de agua a temperatura
constante (expresado como masa de agua/masa de materia seca).
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.
7
Se utiliza:
a) En los procesos de deshidratación y concentración, porque la
facilidad o dificultad para eliminar el agua está relacionada con la aw.
b) Para formular mezcla de alimentos evitando la migración de
humedad entre los diversos ingrediente.
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
8
ZONA I
El alimento posee el agua más fuertemente absorbida y más inmóvil,
adsorbida 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 está presente en cantidad suficiente para 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
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.
En el límite inferior de las zona II:
• Actuará como agente plastificante.
• Iniciará procesos de disolución y movilizará los reactantes.
• Promoverá el hinchamiento de la matriz sólida.
• Determinando así, una aceleración de la velocidad de las reacciones.
El agua de la zona I y II constituye menos del 5 % del agua de un
producto alimenticio de alta humedad
humedad..
9
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.
En el límite de las zonas IIB y III, el agua es suficiente para completar una
cubierta de hidratación de monocapa verdadera, en torno a
macromoléculas.
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.
10
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
histéresis..
11
Influencia de la temperatura en las isotermas de adsorción
EFECTO DE LA TEMPERATURA
Humedad
ECUACIÓN DE CLAUSIUS CLAPEYRON
Actividad del agua
12
pendiente = Qs/R
ln aw
Disminución
de humedad
Graficamos ln aw versus 1/T
Pendiente = -Qs/R (a contenido de humedad constante)
Para T2 > T1 en grados Kelvin
R = constante de los gases = 1,987 cal/ºK mol
Qs = calor isostérico neto de sorción correspondiente al
contenido de agua de la muestra
EJEMPLO:
Para T1 = 25 ºC
a1 = 0,40
Qs = 2.000 cal/mol
R = 1,987 cal/ºK mol
Hallar el valor de a2 a T2 = 40 ºC
ln
a2
0,4
- 2.000
=
a2 = e0,164
1,987
x
1
313,15
1
-
298,15
= 0,164
0,4
a2 = 1,178 x 0,40
a2 = 0,47
Si Qs = 4.000 cal/mol
a2 = 0,56
13
OBSERVACIONES:
a 40 ºC la línea corta aw > a 0,8
Humedad
a 20 ºC la línea se desplaza a la monocapa
Actividad del agua
ECUACIÓN DE CLAUSIUS CLAPEYRON
Relación entre la aw y la temperatura del almidón de papa nativo a diferentes
contenidos de agua expresado en g agua / g almidón seco.
14
Definición de aw a temperaturas subsub-crioscópicas
aw =
pff
po(scw)
=
phielo
po(scw)
pff es la presión parcial del agua de el alimento parcialmente congelado
po(SCW) es la presión de vapor del agua pura subenfriada
phielo es la presión de vapor del hielo puro.
Características de la aw a temperaturas subsub-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.
15
Presiones de vapor y relaciones de presión de vapor
entre el agua y el hielo
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.
16
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
17
1
Velocidad de crecimiento relativo de algunos microorganismos (escala
arbitraria) como función de la aw. (a) Un hongo xerófilo, Xeromyces
bisporus. (b) Un hongo común, Aspergillus flavus. (c) Una levadura,
Saccharomyces Cerevisiae. (d) Una bacteria Salmonella sp.
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.
18
Representación gráfica de la ecuación de BET para almidón de papa nativo
aw = 0,2
19