TRABAJO PRÁCTICO N 1: SORCION DE AGUA DETERMINACION DE LAS ISOTERMAS DE SORCION DE LECHE EN POLVO POR EL MÉTODO GRAVIMETRICO. OBJETIVOS: Determinar las isotermas de sorción de leche en polvo. Ajustar los datos experimentales al modelo de GAB (Guggenheim- Anderson-de Boer) y el modelo de BET (Brunauer-Emmet-Teller). BREVE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA: El agua contenida en los alimentos juega un papel fundamental en diversos aspectos relacionados con la industria alimentaria y el campo del desarrollo e investigación en alimentos. La cantidad de sólidos es inversamente proporcional al contenido de agua en el alimento el cual influye en la elección de las condiciones de proceso y de almacenamiento y determina el tipo de empaque, por lo que es un factor de importancia económica. La calidad nutricional del alimento está en relación inversa a la cantidad de agua, las propiedades funcionales como textura, viscosidad, turbidez, así como las capacidades de hidratación, de emulsificación y de formación de espuma de las proteínas, son consecuencia de la interacción con los componentes del alimento y del estado físico del agua presente. La estabilidad del alimento depende en gran medida de su contenido de agua, ya que ésta es necesaria para el crecimiento microbiano, para la germinación de semillas, para que se efectúen reacciones tanto indeseables como deseables (enzimáticas, de oscurecimiento, rancidez hidrolítica desnaturalización de proteínas, rancidez oxidativa, estas dos últimas causadas por la disminución de humedad en el alimento). La actividad del agua (a w ) se puede definir como la fracción de contenido de aguade un producto que está libre y disponible para el crecimiento de microorganismos y para llevar a cabo diversas reacciones químicas, bioquímicas (como por ejemplo oxidación de lípidos, reacciones enzimáticas, reacción de Maillard) que afectan a su estabilidad, es por esto la actividad del agua es un parámetro bastante usado como indicador para predecir la vida útil de un alimento. 1
El conocimiento de la relación de la a w y el contenido de humedad en el equilibrio (M w ) de los materiales alimenticios es importante para predecir los cambios en sus propiedades físicas, químicas y biológicas que ocurren durante el almacenamiento y transformación. Esta relación entre la a w y el M w a una temperatura constante es llamada isoterma de sorción de vapor de agua, que hace referencia a procesos de adsorción (hidratación o rehidratación) o de desorción (deshidratación). La isoterma de sorción tiene su aplicación en el análisis y diseño de varios procesos, como el secado, el mezclado y el envasado de alimentos, además sirve para determinar condiciones óptimas de almacenamiento, predicción de vida útil y selección del material de empaque adecuado. Para describir matemáticamente las isotermas de sorción se han propuesto en la literatura científica diversos modelos, algunos de ellos se han desarrollado con una base teórica para describir los mecanismos de sorción (por ejemplo, los modelos de GAB ybet); mientras que otros son empíricos o semi empíricos (como Smith, Oswin, entreotros). Las ecuaciones de BET y GAB predicen el contenido de humedad de la monocapa (M O ) y pueden ser consideradas como las más útiles para determinar las condiciones óptimas de humedad y por consiguiente asegurar la estabilidad durante el almacenamiento especialmente para alimentos secos. La humedad de la monocapa es la cantidad de agua (g agua/g masa seca) que está fuertemente unida en todos los sitios activos de la fase sólida adsorbente del alimento y es considerada como el valor en la cual el alimento es estable durante el almacenamiento. Modelo de Brunauer-Emmet-Teller (BET) Solo describe adecuadamente los datos experimentales por debajo de a w = 0,5. M W = M O C a W (1 a W ) {(1+(C 1) a W )} (1) M w : contenido de humedad del producto (masa de agua por masa de producto seco). M O : contenido de humedad de la monocapa (masa de agua por masa de producto seco). C: constante característica del producto y relacionada con el calor neto de adsorción. Linealización de BET: a W M W (1 a W ) = 1 M O C + (C 1) M O C a W (2) 2
a w /(M W *(1-a w )) α 1/(M 0 *C) tgα = (C 1) Mo C a W =0,5 a w Modelo de Guggenhheim-Anderson-deBoer (GAB) Es una de las más utilizadas en alimentos. M W = M O C K a W (1 K a W ) (1 K a W +C K a W ) (3) M W, M O y C tienen el mismo significado que para BET. K: constante relacionada con el calor de adsorción de la multicapa. Si K = 1 la ecuación la ecuación GAB (3) se reduce a la ecuación BET (1). MATERIALES Y MÉTODO: Materiales: Leche en polvo comercial. Frascos chicos color caramelo. Vasos de plástico y de vidrio. Recipientes herméticos. Espátulas. Balanza granataria. Guantes. Soluciones saturadas y actividades de agua: Ácido sulfúrico (aw= 0) Cloruro de calcio (aw= 0,28) Cloruro de magnesio (aw= 0,328) Nitrato de calcio (aw= 0,505) 3
Yoduro de potasio (aw= 0, 6886) Cloruro de sodio (aw= 0,751) Cloruro de potasio (aw= 0,842) Glucosa (aw=0,891) Sacarosa (aw= 0,9) Sulfato de potasio (aw= 0,973) Método: El práctico se llevará a cabo utilizando muestras de leche en polvo. Para la adsorción la leche en polvo se desecará en estufa a 70 C dentro de un desecador con Dieritre durante 24 h (Figura 1). Por su parte, para la desorción la leche en polvo se humedecerá en un ambiente saturado de agua a 4 C durante 4 días. (Llevado a cabo previamente por los auxiliares). Figura 1. Izquierda: leche en polvo en un ambiente saturado de agua. Derecha: leche en polvo en desecador con Dieritre. Las isotermas de sorción serán determinadas a temperatura ambiente empleando el método gravimétrico (de pesada). 1) Se pesarán 4,00 ± 0,01 g de leche en polvo (desecada y húmeda) en frascos rotulados con A y D, adsorción y desorción respectivamente. 2) Un frasco A y otro D serán colocados en recipientes cerrados herméticamente, los cuales contendrán soluciones salinas saturadas (Figura 2). Se utilizarán 10 soluciones saturadas con actividades de agua que varían entre 0 y 0,973. 4
Figura 2. Recipiente cerrado herméticamente conteniendo una solución saturada de sal y dos frascos con muestras para adsorción y desorción. 3) Las muestras serán pesadas periódicamente cada 7 días hasta obtener peso constante (p1), con el propósito de asegurar el equilibrio de las muestras con las soluciones salinas. 4) Una vez alcanzado el equilibrio las muestras se colocarán en estufa a 100 C hasta peso constante (p2) y se determinará el contenido de humedad (M w ). M w = (p1-p2)/p2 5) Graficar M w versus a w para la adsorción y la desorción. 6) Ajustar a los modelos BET y GAB. Con el modelo de mejor ajuste calcular M o, C y K (si corresponde). Se adjunta un instructivo para el ajuste no lineal utilizando Excel. Recomendaciones: Mantener controlada la temperatura ambiente. Mantener los sistemas herméticamente cerrados para lograr el equilibrio. Cada pesada deberá ser efectuada de manera rápida y con el frasco tapado. A los recipientes que contengan soluciones salinas con una a w mayor a 0,65 se le colocarán azida de sodio al 0,25% para prevenir el crecimiento microbiano. 5
Las soluciones se prepararán en vasos de plástico colocando aproximadamente 50 ml de agua destilada y saturando la solución con las diferentes sales. La única excepción es el H 2 SO 4 con el que se utiliza vaso de precipitado. Verificar periódicamente la saturación de las mismas. Rotular cada sistema. 6