ACTIVIDAD DE AGUA EN LOS ALIMENTOS. Dr.C. Aldo Hernández Instituto de Farmacia y Alimentos Universidad de La Habana

Transcripción

1 ACTIVIDAD DE AGUA EN LOS ALIMENTOS Dr.C. Aldo Hernández Instituto de Farmacia y Alimentos Universidad de La Habana

2 El agua Es un componente importante de los alimentos. Contribuye a la estructura y textura y su interacción con otros componentes determina la estabilidad relativa durante el almacenamiento. Es un factor importante en el deterioro de alimentos por el papel que desempeña en diferentes reacciones químicas y enzimáticas así como en el desarrollo microbiano.

3 El agua y la conservación de los alimentos Durante muchos años se pensó que el mecanismo de conservación de los alimentos era la reducción del contenido de humedad, la deshidratación de alimentos es una de las formas más antiguas de conservación. Sin embargo, no es la cantidad de agua lo verdaderamente importante, sino la disponibilidad que ésta muestre para que ocurran las reacciones de deterioro.

4 La estabilidad de alimentos y la humedad El aceite de maní se deteriora lentamente con un contenido de humedad de 0,6 %. El azúcar refino cristalina es inestable con un 2 % de humedad. El almidón de papa es estable hasta con un 20 % de humedad. Lo más importante no es el contenido de agua si no la disponibilidad que ésta muestre para que ocurran las reacciones de deterioro.

5 La actividad de agua A esta disponibilidad se le denomina actividad de agua (a w ). Conocer esta propiedad es de gran utilidad en alimentos ya que se relaciona con aspectos como: ganancia o pérdida de humedad, crecimiento de microorganismos, cinética de reacciones deteriorativas de los nutrientes, cambios en sabor, aroma, textura, estabilidad y conservación en general.

6 Concepto de actividad de agua (a w ) Se parte del concepto termodinámico de Energía libre de Gibbs: G = H TS = E + PV TS dg = dh TdS = VdP SdT En sistema de varios componentes, las especies químicas pueden ser ganadas o pérdidas, la energía libre (G) está en función no solo de la temperatura (T) y la presión (P), si no del número de moles del componente (i)(n i ) dg = VdP SdT + Σ in [dg/dn i ] T,P,n dn i

7 Por lo tanto, la actividad de agua (a w ) representa el potencial químico relativo al agua en el alimento y constituye el control básico en la conservación de alimentos. Concepto de actividad de agua (a w ) En la anterior ecuación se incluye el término potencial químico del componente (µ i ) o energía libre parcial molar. De igual modo para una mezcla binaria como puede ser un alimento: µ vapor = µ alimento µ w + RTln f w = µº w + RTln a w

8 Concepto de actividad de agua (a w ) Desde el punto de vista termodinámico a w quedaría: a w = e [µ w - µº w /RT] Cuanto más pequeño sea el potencial químico en un alimento, más pequeña será la fuerza impulsora para las reacciones químicas del agua. Esta ecuación no se utiliza, esta propiedad se expresa en función de la presión de vapor de agua del alimento (p w ) y la del agua pura (pº w ) o en función de las humedades relativas.

9 Concepto de actividad de agua (a w ) a w =p w /pº w a w = %(HR)/100 = % (HRE)/100 HR- Humedad relativa HRE- Humedad relativa de equilibrio a la cual el alimento no gana ni pierde humedad con la atmósfera. 1. Se refiere a un estado de equilibrio verdadero 2. Está definida a una temperatura específica y presión total 3. El estado de referencia debe ser claramente especificado

10 Presión parcial y presión de vapor Presión Parcial (P ) vf La presión ejercida por las moléculas de una sustancia en una mezcla gaseosa. Presión de Vapor (P º w ) La presión ejercida por el vapor de agua cuando el líquido y el vapor están en su equilibrio

11 N 2 + O 2 +H 2 O P T = P O + P N +P H A presión ambiente de 14,7 psi y 50 % HR p N = 11,195 psi p O = 2,975 psi p W = 0,53 psi p o = 1,06 psi T ~ 104 o F

12 Isoterma de adsorción y desorción de agua I II III

13 Velocidad relativa de las reacciones degradativas en función de la actividad del agua (Labusa, 1970).

14 Actividad de agua y las reacciones deteriorativas Intervalo de actividad de agua Tipo de reacción Tipo posible de reacción deteriorativa predominante deteriorativa 1 0,80 Crecimiento de microorganismos 1 0,91 Bacterias Reacciones enzimáticas 1 0,88 Levaduras 1 0,80 Mohos 0,80 0,65 Reacciones enzimáticas Oscurecimiento no enzimático (descomposición de grasas y oscurecimiento) 0,80 0,70 Crecimiento de microorganismos (bacterias halófilicas 0,80 0,65 Moho xerofílicos 0,65 0,3 Oscurecimiento no enzimático (Maillard) 0,3 0,0 Autooxidación, cambios físicos Reacciones enzimáticas, auto oxidación Reacciones de decoloración no enzimática, reacciones enzimáticas

15 Producto a w Humedad (%) Leche 0, Carne fresca 0, Pan 0,96 40 Queso Gouda 0,94 40 Salchicha 0,89 42 Mermelada 0,86 35 Leche concentrada azucarada 0,83 28 Harina de trigo 0,72 14,5 Raisins 0,60 27 Macarrones 0,45 10 Caramelo duro 0,30 3 Bizcochos 0,20 5 Leche descremada en polvo 0,11 3,5 Papas fritas crujientes 0,08 1.5

16 Clasificación de los alimentos en base al valor de la a w Alimentos deshidratados Alimentos concentrados Alimentos de humedad intermedia (0,65 < a w < 0,95) Alimentos de alta humedad (conservados por métodos combinados) (a w > 0,95)

17 Limites máximos de a w en alimentos Organismos internacionales como FDA (E.U.A), comité de expertos de la FAO y OMS, la dirección sanitaria de CCE (directiva 77/79 de 21/12/76) recomendaron el establecimiento legal de los límites máximos limite para el valor de a w Los esfuerzos en esta línea requieren el establecimiento de métodos seguros y precisos para la determinación o el cálculo de la actividad de agua en los alimentos

18 Métodos para la determinación de la actividad de agua Existe una gran variedad de métodos, la selección dependerá de los costos, intervalos de a w, exactitud, rapidez del método, calibración y mantenimiento de cada equipo. Se clasifican atendiendo al principio que utilicen para la medición.

19 Clasificación de los métodos de medición a w Métodos isopiéticos (a presión constante) Métodos de intervalo Método de interpolación gráfica Método dinámico de interpolación Métodos basados en las propiedades coligativas del agua Métodos psicrométricos Métodos higrométricos Isotermas de sorción Métodos gravimétricos Métodos manaométricos/higrométricos

20 Métodos isopiéticos (a presión constante) Se basan en el equilibrio que alcanza el alimento con algún material de referencia en un sistema cerrado, puede requerir varios días o semanas Procedimiento: T constante Recipiente cerrado Muestras Solución salina saturada Preparación de la muestra, bien dividida Colocar cantidad de muestra conocida en pesafiltros Los pesafiltros se pesan periódicamente hasta que no haya variación entre pesadas (equilibrio). Los datos promedios de al menos tres determinaciones se informan como a w

21 Actividades acuosas de las soluciones salinas usadas en la determinación a w Sal Temperatura ºC Cloruro de litio 0,113 0,113 0,113 0,113 0,113 0,112 0,111 Acetato de potasio - 0,234 0,231 0,225 0,234 0,216 - Cloruro de magnesio 0,336 0,335 0,331 0,328 0,324 0,316 0,305 Carbonato de potasio 0,431 0,431 0,432 0,432 0, Nitrato de magnesio 0,589 0,574 0,544 0,529 0,514 0,484 0,454 Yoduro de potasio 0,733 0,721 0,689 0,689 0,679 0,661 0,645 Cloruro de sodio 0,757 0,757 0,755 0,753 0,751 0,747 0,744 Sulfato de amonio 0,824 0,821 0,813 0,810 0,806 0,799 0,792 Cloruro de potasio 0,877 0,868 0,851 0,843 0,836 0,823 0,812 Nitrato de potasio 0,963 0,960 0,946 0,936 0,923 0,891 0,848 Sulfato de potasio 0,985 0,982 0,976 0,973 0,970 0,964 0,958

22 Método de intervalos Se cortan tiras de papel 0,5 x 2,5 cm. Colocar cinta adhesiva Dos tiras se humedecen con la sol. correspondiente y se coloca en las tapas de la caja Petri. Secar las tiras a temperatura ambiente o en estufa. El alimento se coloca en la caja Petri, se cierra y se sellan. El alimento y tiras no deben hacer contacto. Después de 24 horas se determina que tiras están húmedas. En función de las sales Y temperatura se da aproximadamente la a w ( intervalo) Ejemplo: 0,25 < aw < 084

23 Método de interpolación gráfica La ganancia o pérdida de agua de la muestra se representa gráficamente, el punto donde no hay ganancia corresponde a HRE Se utilizan celdas de equilibrio con la sol. saturada donde se coloca la muestra ( no contacto entre muestra y solución) Registrar el peso de recipiente y muestra y recipiente. Colocar las celdas con las muestras en una incubadora a temperatura constante. Se pesan las muestras cada dos horas durante seis horas. Se construye el gráfico de ganancia o pérdida de agua ( peso Vs a w de soluciones salinas), se traza una línea que una todos los puntos y se determina a w

24 Métodos psicrométricos Estos métodos basan su principio de operación en la mezcla agua- aire entre ellos se encuentran: El de punto de rocío, en el que la formación de rocío es detectada fotoeléctricamente u óptimamente dependiendo del tipo de equipo. Como ventaja que la medición se puede hacer a cualquier temperatura. Termopar psicrométrico, se fundamente en la disminución de la temperatura de bulbo húmedo. El enfriamiento ocasionado a la muestra hace que el agua se condense sobre el termopar, la velocidad de evaporación de dicha agua está en función de la actividad de agua o equilibrio creado.

25 Medidor de actividad de agua Rotronic Especificaciones: Rango: 0,000 a 1,000 A w (0 a 100 % de humedad relativa), de 5 a 50 C, Ambiente de operación: 0 a 99 % HR, de -10 C a 60 C. Resolución de la actividad de agua: 0,001 A w (0,1% HR) Resolución de temperatura: 0,1 º F / c Precisión actividad del Agua: ± 0,001 A w de Precisión de Temperatura : ± 0,1 F / C

26 Higrómetro El equipo debe ser calibrado utilizando sales sobresaturadas con a w conocida.

27 Método Aw recomendada Precisión Uso en alimentos Otras características Isopiéstico 0,80 0,99 0,005 Cualquier alimento Barato, sencillo, recomendado para análisis de rutina Aproximación al equilibrio 0,40-0,98 0,001 Azúcares, materiales higroscópicos, jaleas, queso Barato, rápido, sencillo, útil para análisis de rutina Resumen sobre los métodos para determinar la a w Interpolación gráfica Carnes, queso Barato, sencillo y rápido. Presión de vapor 0,55 1,00 0,01 Alimentos sin actividad respiratoria, piezas de res, cereales, pasas. Muestras grandes, (10 a 50 g), lento, método estándar Termopar psicrométrico Cualquier alimento Requiere una velocidad mínima de aire, tiene problemas de condensación y transferencia Punto de rocío 0,75 0,99 0,003 Cualquier alimento Costoso, rápido

28 Modelos predictivos de la actividad de agua en alimentos Existe mucha información sobre la estimación de la actividad de agua y se han obtenido diversas ecuaciones con respaldo teórico o experimental y su desarrollo se ha visto favorecido por el desarrollo de la computación. Al aplicar algún modelo debe considerarse: Identificar todas las características del alimento, intervalo de aw, composición componentes mayoritarios. Seleccionar aquellas ecuaciones que se recomiendan o han sido aplicadas para el alimento en particular. Determinar las ventajas del ajuste para cada uno de los modelos aplicados

29 Ley de Raoult Este es el modelo más simple para predecir a w de soluciones ideales que contienen soluto de bajo peso molecular. a w = X w = n w /(n w + n s ) X w _Fracción molar de agua n w _Moles existentes de agua en 100 g de alimento. n s _Moles existentes de soluto en 100 g de alimento.

30 Modelo Money y Born Este modelo fue propuesto a partir de la ecuación de Raoult para ser utilizada en la predicción de la a w de productos de confitería. A w = 1 0,27 n n _ Representa el número de moles de azúcar en 100 g de agua.

31 Modelo de Grover (1947) Ecuación empírica para calcular a w en dulces y materiales análogos. a w = E s + 0,45E s E s = E 1 X 1 + E 2 X 2 + E n X n Componentes Valores de E Gomas, almidones y pectinas 0,8 E_ Constante para algunos componentes comunes. X_ Concentración del componente (g/g) Sucrosa y lactosa 1,0 Azúcar invertido, gelatina y caseína 1,3 Ácido cítrico y sus sales 2,5 Glicerol 4 Cloruro de sodio 9

32 Ecuación de Norrish (1966) Para calcular a w para componentes múltiples lna w = lnx w + KlnX 2 lna w = lnx w + [(- K 1 0,5 X 1 ) + (K 2 0,5 X 2 ) +.] 2 X_ Fracciones molares de los solutos; K_ Coeficiente binario Soluto Valores de K Sacarosa - 6,47 Glucosa - 2,25 Fructosa - 2,25 Sorbitol - 1,65 Azúcar invertido - 2,25 Glicerol - 1,16 (Chirife y col.,1980) (Chirife y Favetto, 1992)

33 Ecuación de Ross (1975) Esta ecuación es muy útil para alimentos de humedad intermedia a w = (a w ) 1 (a w ) 2 (a w ) 3. a w _Actividad de agua de los diferentes componentes que constituyen el alimento

34 Aplicación de modelos predictivos de a w en algunos alimentos dulces Producto Experimental Grover Money Born Norrish Ferro- Fontán Jalea de uva 0,824 0,819 0,787 0,837 0,800 Mermelada de fresa Mermelada de fresa B Mermelada de fresa C Mermelada de mango 0,840 0,916 0,792 0,841 0,832 0,839 0,809 0,787 0,837 0,793 0,826 0,775 0,766 0,815 0,757 0,879 0,861 0,842 0,883 0,858

35 Aplicación de modelos predictivos de a w en algunos alimentos salados Producto Experimental Grover Ross Bromley Chorizo 0,903 0,839 0,939 0,939 Jamón serrano 0,853 0,812 0,913 0,913 Longaniza 0,669 0,714 0,875 0,889 Mole colorado 0,946 0,966 0,971 0,981 Mole poblano 0,848 0,775 0,876 0,949 Queso cotija 0,876 0,817 0,908 0,908 Salmuera 0,976 0,997 0,974 0,974 Salsa de tomate 0,945 0,967 0,954 0,984

36 Ejemplo de la predicción de actividad de agua Jarabe de sacarosa con 26, 5 % en peso de dicha azúcar. a w experimental = 0,98 Base de cálculo 100 g para la composición molar n H2O = 73,15/18 = 4,083 n sacarosa = 26,5/342 =0,078 n totales = 4, ,078 = 4,161 X w = 4,083/4,161 = 0,981; X sacarosa = 0,078/4,161 = 0,019 Cálculo de a w a) Por la ley de Raoult: a w = X w = 0,981 b) Usando la ecuación de Norrish con valor de K = - 6,47 lna w = ln(0,981) + (- 647(0,019) 2 = - 0, a w = 0,979

37 Bibliografía Aguilera, J. Temas de tecnología de los alimentos. Vol1. CYTED. Instituto Politécnico Nacional. México.1997 Alvarado, J y Aguilera, J. Métodos para medir propiedades físicas en industrias de alimentos. Editorial Acribía Barbosa-Cánovas G.;. Juliano P. and Peleg M. Engineering properties of foods. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS).s/f