DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPOS PARA DETERMINACIÓN DE ACTIVIDAD ACUOSA

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1 Clave: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPOS PARA DETERMINACIÓN DE ACTIVIDAD ACUOSA Abril, Ramírez Higuera; Juan Carlos, Villaseñor Ríos; Verónica, Herrera Coronado; Jorge, Yánez Fernández. DIRECCIÓN DE LOS AUTORES Departamento de Bioingeniería de la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología (IPN). Av. Acueducto de Guadalupe s/n D.F. México. CORREO ELECTRÓNICO abrileja@hotmail.com y cvillasenor@ipn.mx

2 INTRODUCCIÓN La actividad de agua (Aw) de un alimento o solución se define como la relación entre la presión de vapor de agua (P) que ejerce el alimento y la del agua pura en equilibrio (Po) a la misma temperatura y presión (Smith, 2002). Existen gran variedad de técnicas o instrumentos para medir la actividad acuosa los cuales difieren en fundamentos teóricos complejidad, precio y exactitud. Dentro de las técnicas gravimétricas tenemos dos el método estático y el dinámico (Martínez, 1998). Método estático. Consiste en colocar dentro de una cámara herméticamente cerrada una disolución saturada de sal con Aw conocida, en el espacio libre de la disolución se generará un ambiente cuya humedad relativa al equilibrio a una temperatura determinada será exactamente la de Aw de la sal a esa misma temperatura. Si se coloca una muestra en el interior de esta cámara, la muestra ganará o perderá peso hasta quedar en equilibrio con el ambiente (peso constante), en este punto la A w de la muestra será la de la sal. La humedad puede determinarse conociendo la humedad inicial de la muestra así como el peso inicial y final (Martínez, 1998). Método dinámico. El método dinámico consiste en hacer pasar el aire, con humedad relativa y temperatura controladas, a través de la muestra, hasta que no haya variación de masa en la muestra. Este método permite obtener el equilibrio higroscópico en un lapso inferior al que necesita el método estático, en las mismas condiciones de temperatura y humedad relativa. El estado de humedad relativa se puede mantener constante al interior de recipientes herméticamente cerrados, con soluciones de ácido sulfúrico, nítrico y ácido clorhídrico, las que mantendrán la humedad relativa constante en cualquier valor que se desee; solo basta con variar la concentración (Martínez, 1998)..

3 Se pueden emplear también soluciones saturadas de diferentes sales, las que han sido preferidas por muchos autores por las ventajas siguientes (Márquez, 2000): a) La misma solución de sal se puede usar con diversas temperaturas, sin grandes variaciones en el valor de la humedad relativa. b) Las sales son menos corrosivas que los ácidos y causan menos daño a los operadores durante su manejo. c) Aunque el material higroscópico pierda o gane humedad en cantidades relativamente grandes, la solución permanece saturada, siempre que se deje un depósito de cristales de sal en el fondo de la solución. Una vez obtenida la actividad de agua por alguno de los dos métodos si se gráfica en función de la humedad relativa que tiene dicha muestra en relación con la atmósfera que le rodea se estará obteniendo la isoterma de sorción. Una isoterma es una curva que indica, en el equilibrio y para una temperatura determinada, la cantidad de agua retenida por un alimento en función de la humedad relativa de la atmósfera que le rodea, o bien la presión parcial de vapor ejercida por el agua del alimento, en función del contenido de agua en el mismo. El contenido de humedad de equilibrio de un material higroscópico, en determinadas condiciones de temperatura y humedad relativa de equilibrio, depende del camino que se siga para alcanzar el equilibrio. Así, para una misma humedad relativa, puede haber dos isotermas, denominadas isotermas de adsorción y de desorción, esto porque el material puede presentar un contenido de humedad menor o mayor que la humedad de equilibrio para las condiciones del ambiente; este fenómeno se llama histéresis (Márquez, 2000). La importancia de la determinación de una isoterma radica en que puede auxiliarnos en situaciones como (Márquez, 2000): a) Formulación de mezclas de alimentos evitando la migración de humedad entre los ingredientes. b) Determinación de la impermeabilidad requerida en el material de envasado.

4 c) Predecir la estabilidad química y física de los alimentos en función del contenido de humedad. d) Observar la influencia de la humedad del ambiente sobre el contenido de agua de un alimento envasado. e) Evaluar el tiempo de deshidratación o de hidratación de un producto f) Influencia de la temperatura. g) Evaluar la estabilidad de los productos ante reacciones de: oxidación de lípidos, oscurecimiento enzimático, hidrólisis no enzimática, acción de las enzimas, mohos, levaduras. Por tal motivo se plantea la construcción de prototipos basados en estos métodos gravimétricos los cuales permitan obtener datos de actividad acuosa (Aw) a través de la construcción de isotermas de sorción, que puedan ser implementados en el área de docencia como instrumentos auxiliares en prácticas de laboratorio del área de alimentos y termodinámica. MATERIALES Y MÉTODOS Se empleo sacarosa como sustancia patrón para validar los prototipos diseñados, por ser una muestra de la cual se tiene bastante información con respecto a modelos de isotermas obtenidos por diferentes métodos. Diseño del prototipo 1. El prototipo 1 mostrado en la figura 1; construido con los materiales especificados en la tabla I, maneja 8 contenedores, así como 8 matraces erlenmeyer de 250 ml, un contenedor por matraz, el matraz contiene las diferentes soluciones saturadas de sal (KNO 3 Aw=0.936, NaCl Aw=0.753, K 2 CO 3 Aw=0.432 a una temperatura de 25 C). Se colocó un controlador de temperatura y un cabezal de 8 canales. En la cámara anexa donde se encuentra la bomba de recirculación, se coloca una resistencia, que calienta el agua, la cual circula a través del tubo de cobre en forma de serpentín, que se encuentra dentro de la

5 cámara principal, donde se tienen los contenedores de muestra, para mantener esta cámara a la misma temperatura a la que se encuentra el agua. Es necesario el uso de este serpentín como barrera directa entre el agua y la atmósfera en la que se encuentran los contenedores, ya que se desea mantener la temperatura dentro de la cámara principal, sin alterar el contenido de humedad (proporcionado por la sal). Se tiene un termopar en la cámara principal, para corroborar que efectivamente la temperatura del agua o la que registra el controlador de temperatura,es la misma que se mantienen al interior de la cámara principal, que contiene a los matraces con la solución saturada de sal y los contenedores con la muestra. La cámara principal también cuenta con un ventilador, el cual garantiza la circulación del aire, para mantener la temperatura adecuada en todos los puntos de la cámara, en este caso se trabajo con temperaturas en el rango de C. Los esquemas de operación son dos; en paralelo (una sal diferente para cada contenedor de muestra) que permite obtener 8 puntos de la isoterma en un sola corrida o en serie (una sal para dos o tres muestras de las mismas características, es decir, por duplicado o triplicado) con lo cual se obtienen cuatro o seis puntos de la isoterma por duplicado o triplicado en una sola corrida. Figura 1: Prototipo 1. En esta figura se muestra el Prototipo 1 terminado. Tabla I: Material de construcción Contenedores de muestra de acrílico Matraces Erlenmeyer con solución salina Serpentín de cobre Cámara Anexa de acrílico. Bomba de recirculación de agua Resistencia Cámara principal de acrílico Regulador de temperatura Regulador de la bomba peristáltica

6 Diseño del prototipo 2. El prototipo 2 se muestra en la figura 2.Este prototipo esta adaptado al sensor, los materiales empleados se enlistan en la tabla II. Se empleo un contenedor de muestra como los mostrados en la figura 1. Este prototipo se basa en el equilibrio termodinámico entre la muestra y el aire sin el empleo de soluciones saturadas, a través del sensor se mide la humedad relativa del aire en contacto con la muestra contenida en un recipiente cerrado. Este prototipo alcanza el equilibrio en tiempos mucho más cortos que el prototipo1. Tabla II: Material de construcción Contenedor de muestra Charola de aluminio Muestra Sensor de humedad Tornillo Figura 2: Prototipo 2. En esta figura se muestra el Prototipo 2 terminado.

7 DESARROLLO Prototipo 1. En principio este prototipo maneja las mismas bases que el secado de una muestra, por lo que se anticipa que el comportamiento evaluado será asintótico, tal como las gráficas normales de secado, lo cual asegura que se ajustaran a un modelo hiperbólico, por lo tanto para la evaluación de este dispositivo se pueden seguir dos métodos, los cuales se describen a continuación: A) Predicción del equilibrio con cinética: 1) Elaborar la solución de sacarosa a la concentración deseada 2) Pesar la charola vacía 3) Pesar la charola con 0.5 ml de muestra 4) Registrar el peso del contenedor de muestra, la charola y la muestra 5) Colocar el contenedor en el sistema y registrar el peso en espacios de 1-2 horas por un total de 6-10 horas 6) Retirar la charola con la muestra 7) Colocar la charola con la muestra por 1h a 70 C en la termobalanza 8) Obtener el porcentaje de humedad B) Obtención del equilibrio termodinámico: 1) Elaborar la solución de sacarosa a la concentración deseada 2) Pesar la charola vacía 3) Pesar la charola con 0.5 ml de muestra 4) Registrar el peso del contenedor de muestra, la charola, y la muestra 5) Colocar el contenedor en el sistema y registrar el peso en espacios de 1-2 horas hasta llegar a peso constante (margen de +/- 1%) 6) Retirar la charola con la muestra 7) Colocar la charola con la muestra por 1 h a 70 C en la termobalanza 8) Obtener el porcentaje de humedad

8 Se evaluaron tres diferentes flujos de aire para cada sal empleada para observar la influencia de estos dos factores (sal y flujo de aire) en el comportamiento de las cinéticas empleando el método A con el sistema en paralelo. Se evaluó con el método B empleando una solución de sacarosa concentración 2.9 Molal con el sistema en serie, empleando una solución saturada de KNO 3. Prototipo 2. Para este segundo prototipo solo se tiene un método: C) Prototipo 2 con sensor 1) Calibrar el sensor con dos sales de referencia en este caso: NaCl y MgCl 2) Realizar una cinética de secado en la termobalanza 3) Pesar la charola de aluminio 4) Pesar la charola de aluminio con la muestra húmeda (0.5 g o ml) 5) Registrar la humedad inicial (con el sensor) 6) Secar la muestra por un lapso determinado de tiempo en la termobalanza, tomando como referencia la cinética de secado 7) Determinar el porcentaje de humedad 8) Pesar la charola más la muestra 9) Repetir los pasos del 6-8 hasta obtener la muestra totalmente seca 10) Pesar la charola con la muestra seca y determinar el porcentaje de humedad en base seca y base húmeda 11) Construir la isoterma correspondiente. Para la evaluación del prototipo 2 se comprobó otro punto de la isoterma de sacarosa esta vez para la solución 1.03 Molal.Una vez caracterizado el procedimiento para sacarosa se trabajo con una muestra nueva; mermelada de Maracuyá la cual se evaluó mediante el ajuste de los datos a cuatro modelos matemáticos ampliamente utilizados en el área de alimentos.

9 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Con el prototipo 1 sistema en paralelo, método A, se estableció que a un flujo de 8 volúmenes de aire por minuto (Vvm) o más las cinéticas presentan un comportamiento hiperbólico con una buena correlación cuando se linealiza dicho modelo. El efecto de las sales no fue significativo. Trabajando con muestras de 0.5 a 1 g o ml según la condición de la muestra, los tiempos mínimos necesarios para encontrar un ajuste adecuado en las cinéticas es de 6 horas aproximadamente. El tiempo aproximado para llegar al equilibrio termodinámico real es de 24 a 48 horas, y varía acorde a las condiciones y cantidad de muestra. La solución 2.9 molal se evaluó en el prototipo 1 con el método B y se obtuvo un resultado de Aw de que es aproximado al dato reportado por otros autores con otros métodos (Norrish, Money, Martínez y Makower) cuyo valor es de para una solución 3 Molal. Se consideró solamente un punto ya que la finalidad es solo corroborar si el prototipo funciona adecuadamente. La solución 2.9 molal se eligió por poseer una actividad de agua conocida de tal forma que pudiera utilizarse como dato comparativo, así mismo por la humedad relativa de las sales disponibles de tal manera que se establecieran las condiciones adecuadas para evaluar dicha solución. No se llego a la construcción de la isoterma únicamente a la comparación de puntos determinados, ya que el tiempo para establecer el equilibrio total es de hr, mientras que las cinéticas para dichos puntos tomaron como tiempo mínimo 6 hr y como máximo 10 hr. La solución 1.03 Molal se evaluó en el prototipo 2, de igual manera solo se evaluó un punto ya que la finalidad es solo corroborar que la técnica empleada es válida para un punto de la isoterma de sacarosa de actividad de agua conocida, para tomarlo como dato comparativo. En este caso el dato obtenido fue de Aw=0.999 contra el reportado (Norrish, Money, Martínez y Makower) para una solución 1 Molal cuyo valor es Aw=

10 Una vez que se obtuvieron resultados confiables con la sustancia patrón (sacarosa) se trabajó una muestra diferente. En la figura 3 se muestra la isoterma de sorción de mermelada de Maracuyá elaborada mediante el prototipo 2. En la figura 4 se muestra el ajuste de estos datos a los cuatro modelos matemáticos más utilizados en alimentos, de los cuales, el de mejor ajuste es el modelo de Caurie. El tiempo en que este prototipo llega al equilibrio, es aproximadamente 40 minutos, es por ello que en este caso sí se llego a la construcción de la isoterma de sorción. Isoterma de sorción de mermelada de Maracuyá We(b.s) aw Figura 3: Isoterma de maracuyá. En esta figura se muestra la isoterma de mermelada de maracuyá construida mediante el Prototipo2

11 Modelo de Henderson y = x R 2 = log(log(1/1-aw)) log(100*we) Modelo de GAB Aw/We y = x x R 2 = Aw Ln(1/We) Modelo de Caurie y = x R 2 = Aw Modelo de BET y = x R 2 = Aw/(1-Aw)*We Aw Figura 4: Ajuste de la isoterma a cuatro modelos matemáticos. En esta figura se muestran los ajustes de la isoterma obtenida para mermelada de maracuyá a cuatro modelos matemáticos generales muy utilizados en el área de alimentos. CONCLUSIONES Se logró la construcción de un prototipo (prototipo 1) que utiliza el método dinámico el cual con velocidad de flujo de aire mayor a 8 Vvm arrojo resultados adecuados para el método A, empleando una cantidad de muestra de 0.5 a 1g o ml. Los tiempos aproximados para los métodos empleados en este prototipo son: método A de 6-8hr, método B 24-48hr. Por lo tanto el método A se recomienda para muestras que son susceptibles a sufrir cambios físico-químicos en el lapso de tiempo requerido para el método B. Este prototipo es conveniente cuando se desea obtener la isoterma en una sola

12 corrida o puntos múltiples por los diferentes tipos de arreglos ya sea en serie o en paralelo, así mismo para cuando se desean resultados más adecuados. En el prototipo 2 el tiempo requerido para alcanzar el equilibrio es de 30 a 40 minutos, por lo tanto la isoterma puede obtenerse de manera más rápida, sin embargo la obtención de la misma se ve limitada por la sensibilidad del sensor por lo que se debe trabajar la isoterma en la zona de 30-70% de HRE (para el sensor utilizado en este prototipo). Se logro la construcción de dos prototipos que arrojan resultados confiables, útiles para cualquier tipo de muestra gracias a los diferentes arreglos y técnicas. Por el material de construcción se puede trabajar hasta 50 C. Los prototipos son de fácil construcción y en un futuro se pueden utilizar para realizar prácticas de laboratorio de Termodinámica o Tecnología de Alimentos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AcKer, L.W Water Content and Enzyme Activity. Food Technology. 5(2): AOAC.1990.Official Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemists Virginia. 3. Alcalá, M Actividad del agua de la miel y crecimiento de microorganismos. Trabajos científicos Universidad de Córdoba. España. 4. Espinoza, T.R Operaciones de Transferencia de masa. Mac Graw Hill. Méx Fennema, R.O Química de los alimentos. Ed Acribia. España Hossain, M.D; Bala, B.K; Mondol, M.R Sorption isotherms and heat of sorption of pineapple. Journal of food engineering.12 (9): Iglesias, H.A Handbook of food isotherms: Water sorption parameters for food and food components

13 8. Labuza T.P Sorption Phenomena in Foods. Food Technology.19 (5): Makower, B. and Dye, W.B Equilibrium moisture content and crystallization ofamorphous sucrose and glucose. Applied Biochemistry and Microbiology. 28 (16): Marquez, P.J Principio de secado de granos: Psicrometría e higroscopia. FAO. Méx Martínez, N.N Termodinámica y cinética de sistemas alimento entorno. IPN.Méx Money, R.W. and Born, R Equilibrium humidity of sugar solution. J. Science. Food Agric. 40 (7): Norrish, R.S An equation for the activity coefficients and equilibrium relative humedities of water in confectionery syrups. J. Food Technol. 28 (14): Perry Manual del ingeniero Químico. Mac Graw Hill. Méx Sereno, A.M.; Hubinger, M.D and Comesaña, J.D.2000.Prediction of water activity of osmotic solutions. Journal of food engineering. 7(19): Smith, J.M Introducción a la termodinámica en ingeniería química. Mac Graw Hill. Méx Timmermann, E.; Chirife J. and Iglesias, H. A Water sorption isotherms of foods and foodstuffs: BET or GAB parameters. Journal of food engineering. 20 (2): Velázquez, G Temperature effect on the moisture sorption isotherms for methylcellulose and ethylcellulose films. Journal of food engineering. 8 (3):38-48.