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• Presente abundantemente en los tres estados
• Regulador de la temperatura de los organismos
• Sustancia de transporte de nutrientes y productos de desecho
• Reactivo y medio de reacción
• Lubricante y plastificador
• Estabilizador de la conformación de biomoléculas
Contenido de agua
de alimentos
comunes (%)
Harinas, sémolas
Legumbres secas
Manteca, margarina, mayonesa
Miel
Frutas desecadas
0 - 12
10 - 25
30 - 60
Crema de leche, helados
Batatas
Pescado
Chauchas
Quesos frescos
Aceitunas
Huevo
Carne de pollo
Aceites y grasas
Azúcar, caramelos duros
Chocolate amargo
Leche en polvo
Cereales en copos
Frutas secas
Galletitas, vegetales deshidratados
Fideos secos
Granos enteros (cereales)
Jaleas, mermeladas
Quesos madurados
Panes
Aderezos para ensaladas
Tortas, budines, masas
Carne de cerdo
Carne de vaca
60 - 78
75 - 97
Banana, arvejas, palta, papas, nabo, peras,
remolacha, brócolis, zanahoria
Frutos azules
Jugos y néctares de frutas
Manzana, durazno, naranja, Pomelo
Frutos cítricos
Leche fluida
Frutilla, tomate
Espárrago, repollo, coliflor, lechuga
Rabanito
Melón, pepino
En alimentos, contenido de agua afecta:
• Estructura
• Aspecto
• Sabor
• Textura
• Susceptibilidad a deterioros
Luego de la rehidratación o descongelado no se obtiene un alimento
con las propiedades originales
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA
• Funde y hierve a T anormalmente altas
• Valores altos de tensión superficial, constante dieléctrica, capacidad calorífica
y calores latentes de fusión, vaporización y sublimación
• Viscosidad “normal”
• Conductividad térmica hielo a 0 °C ~ 4 veces líquido
• Difusividad térmica hielo ~ 9 veces líquido
Molécula dipolar con posibilidad de asociarse mediante puentes de H
104.5°
Asociación intermolecular mediante puentes de H formando
estructuras tetraédricas
O
H
H
ESTRUCTURA DEL AGUA
MODELO DE MEZCLA
Enlaces de H concentrados temporalmente (t1/2 = 10-11 s) en agregados en
equilibrio dinámico con especies más densas
MODELO CONTINUO
Enlaces de H distribuidos uniformemente (retículo continuo dinámico)
MODELO INTERSTICIAL
Moléculas de agua retenidas en estructura geliforme (clatrato)
HIELO
• Estructura ordenada y simétrica
• Moléculas ligadas por enlaces de H formando tetraedros casi perfectos
• Arreglos hexagonales simétricos forman planos paralelos
• Estructura cristalina se pierde al fundir
• Una molécula de agua pasa a ligar más de 4 moléculas vecinas; reducción
de distancia intermolecular; aumento de densidad (máxima a 3,98 °C)
• A T > 3,98 °C, aumenta distancia intermolecular y densidad disminuye
INTERACCIONES AGUA-SOLUTOS
Agua ligada e hidratación: tendencia del agua a asociarse con sustancias
hidrófilas
Capacidad de retención de agua: eficacia de una matriz de macromoléculas
para atrapar agua en su interior (geles, células)
Propiedades del agua confinada
• No fluye por corte o exudado
• Se elimina por secado
• Es congelable
• Actúa como disolvente y medio de reacción
• Similar a agua de soluciones diluidas
• Es agua disponible
INTERACCIONES AGUA-SOLUTOS IÓNICOS
• Iones producen cambios en estructura y movilidad en moléculas de agua
adyacentes
• Se modifica reactividad de solutos
• Interacciones ión-dipolo fuertes
Formación de capas de hidratación primaria y secundaria
Agua ligada
(no disponible)
Agua masiva
(disponible)
Capacidad de un ión para alterar estructura acuosa
Relacionado con su poder polarizante (q/r), o con su campo eléctrico
Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F- y HO- forman estructuras con el agua (4 a 6
moléculas) medio más denso que agua pura
(K+), Rb+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-, I-, NO3-, BrO3-, IO3- y ClO4orden
Otros efectos provocados por los iones
• Compiten por el agua con otros solutos
• Modifican constante dieléctrica
• Condicionan dispersabilidad de macromoléculas
no generan mayor grado de
INTERACCIONES AGUA-SOLUTOS POLARES
• Interacciones dipolo-dipolo con solutos hidrófilos no iónicos (puente de H)
• Se perturba la estructura del agua (inmovilización de moléculas adyacentes)
│
C
‖
O
│
O
H
│
S
│
H
│
NH
│
H
│
C
O
│
H
O
INTERACCIONES AGUA-SOLUTOS NO POLARES
• Interacción hidrofóbica (se minimiza contacto agua-molécula no polar)
• Asociación hidrofóbica
R(aq)
+
R (aq)
R2 (aq)
+
• Formación de clatratos hidratos: estructura de inclusión geliforme
• Hidratación hidrofóbica
H2O
• Gran influencia en funcionalidad de proteínas
• Proceso termodinámicamente desfavorable
• Se fomenta interacción entre grupos hidrofóbicos
• T favorece
VIDA ÚTIL DE UN ALIMENTO Y CONTENIDO DE AGUA
Concentración / Deshidratación aumenta vida útil
Alimentos con contenidos de agua similares difieren en estabilidad
Influye la tenacidad con la que el agua se encuentra ligada
A mayor tenacidad menor disponibilidad
ACTIVIDAD DE AGUA
(aa)
Predictor de estabilidad y
estado sanitario de un alimento
Lewis (1923): Equilibrio termodinámico
Scott (1953): Alimentos
aa = f/f0
f: fugacidad del agua en un sistema en equilibrio
f0 : fugacidad del agua pura
A P atm
f
p
( < 1%)
aa = p/p0
p: presión de vapor del agua en un sistema en equilibrio
p0: presión de vapor del agua pura
T cte.
Condiciones de medición de p
Soluto ideal, sol. diluida
Equilibrio termodinámico
aa p/p0
p/p0 : Presión de Vapor Relativa (PVR)
aa no es un predictor perfecto de estabilidad
• Condiciones no ideales y de no equilibrio (se estima mediante PVR)
• Efectos de los solutos
• Bajo margen de error
• Facilidad de medición
FDA (EEUU)
CEE
Punto crítico en HACCP
Humedad Relativa de equilibrio (HRE)
En el equilibrio:
aa = HRE/100
T cte.
Efecto de la Temperatura
Ecuación de Clausius-Clapeyron
d (ln aa)
Hs
=
Integrando:
ln aa = ln p/p0 =
R
ln p/p0
d (1/T)
T: temperatura (°K)
R: Cte. de los gases
Hs: Calor de sorción
Hs / R . 1/T
1/T
Coeficientes de T dependen de composición del alimento
(Entre 5 – 50 °C)
Ricos en carbohidratos: 0,003 / °C
Proteicos: 0,02 / °C
La temperatura influye en el valor de aa dado que modifica:
• Cantidad de agua “comprometida” con solutos (agua ligada)
• Grado de disociación del agua
• Solubilidad de solutos en agua
• Estado de la matriz
Movilidad molecular
A T > 0 °C, aw depende de composición de la muestra y de T
Para T < 0 °C: Cambios bruscos en la pendiente
aw NO depende de composición de la muestra, sólo de T
• Procesos controlados por difusión
• Reacciones catalizadas
• Reacciones afectadas por:
agentes crioprotectores
agentes microbianos
sustancias ácido-base
agentes oxidantes/reductores
Cambian implicancias de valores de aa
no pueden
predecirse con
certeza mediante aa
debajo de O °C
ISOTERMAS DE SORCIÓN DE HUMEDAD
Gráficos p/po vs. contenido de humedad (T cte.)
Estudio de procesos de concentración/deshidratación
Formulación de alimentos compuestos (migración)
Análisis de impermeabilidad en alimentos envasados
Determinación de contenidos de humedad seguros
Predicción de estabilidad fisicoquímica
g H2O / g m. s.
deshidratación
ISOTERMAS DE DESORCIÓN
aa
0.5
g H2O / g m. s.
0.4
ZONA
I
ZONA
II
ZONA
III
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
aa
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
AGUA
ZONA I: Agua fuertemente ligada, asociada mediante interacciones
TOTALMENTE
ión-dipolo y dipolo/dipolo. No congela a -40 °C. No es solvente. No
LIGADA
ejerce efecto plástico.
Tenacidad de unión
Límite I-II: Agua de monocapa sobre grupos altamente polares.
0.0
0.2
0.4
ZONA II: Agua menos ligada. Ocupa vacantes de monocapa e
interacciona mediante puentes de H. Mayormente no congela a
- 40 °C. Comienza a ejercer efecto plastificador y de solvente.
aa
0.6
0.8
AGUA NO
LIGADA
(MASIVA)
Límite II-III: Se completa monocapa en torno a macromoléculas.
ZONA III: Agua no ligada. Capacidad solvente. Congelable. Modifica
matriz (transiciones vítreo-elásticas).
1.0
Fracción de agua con mayor movilidad determina estabilidad
Agua disponible para reacciones de deterioro y crecimiento de microorganismos
Grupos iónicos
y moléculas
polares
pequeñas
Grupos polares
de
macromoléculas
H2O sin
asociación a
componentes
no acuosos
del alimento
H2O asociada
mediante
interacciones
ión-dipolo /
dipolo-dipolo
0.0
0.2
H2O asociada
mediante
puentes de H
0.4
0.6
0.8
1.0
Isotermas de resorción de algunos alimentos y muestras biológicas
Contenido
de humedad
(g/g
materia
seca)
1: confitura (principal componente: sacarosa )
2: extracto de achicoria “spray-dried”
3: café torrado
4: extracto de páncreas porcino en polvo
5: almidón de arroz
Contenido de humedad (g/g
materia seca)
Dependencia de las isotermas de sorción con la T
T
aa
Histéresis
Isoterma de desorción
isoterma de resorción
Resorción
aa
% H20 desorción > % H2O resorción
Naturaleza del alimento
Cambios físicos que ocurran durante remoción/adición de agua
T (no se observa a T > 80 °C)
Velocidad de desorción
Origen
Fenómenos de hinchamiento
Transiciones de fases
Fenómenos capilares
aa desorción (r) < aa resorción (R)
(al mismo valor de contenido de agua)
p/p0 y seguridad/deterioro microbiano de los
alimentos
Rango de aa Microorganismos inhibidos por debajo de la
menor aw del rango
Ejemplos de alimentos en el rango de aw
1,00 – 0,95 Pseudomonas, Escherichia, Proteus,
Shigella. Klebsiella, Bacillus, Clostridium
perfringens, algunas levaduras
Alimentos altamente perecederos (carnes,
frutas, vegetales, frescas o en conserva),
leche, panes; alimentos que contienen hasta
40 % de sacarosa o 7 % de NaCl
0,95 – 0,91 Salmonella, Vibrio parahaemolyticus,
Clostridium botulinum, Serratia,
Lactobacillus, Pediococcus, algunos
hongos y levaduras (Rhodotorula, Pichia)
Algunos quesos (cheddar, suizo, provolone),
carnes curadas, algunos jugos de fruta
concentrados; alimentos que contienen hasta
55 % de sacarosa o 12 % de NaCl
0,91 – 0,87 Muchas levaduras (Candida, Torulopsis,
Hansenula) Micrococcus
Embutidos fermentados, quesos secos,
margarina; alimentos que contienen hasta 65
% de sacarosa o 15 % de NaCl
0,87 – 0,80 La mayoria de los hongos (Penicillum
La mayoría de concentrados de frutas, leche
micotoxigénico), Staphylocossus aureus, la condensada azucarada, jarabe de chocolate,
mayoría de Saccharomyces, Debaryomyces harina, arroz, legumbres
0,80 – 0,75 La mayor parte de las bacterias halofílicas, Mermeladas, frutas glaceadas, algunas mieles
Aspergillus micotoxigénicos
0,75 – 0,65 Hongos xerofíticos (Aspergillus chevalieri,
A. candidus, Wallemia sebi),
Saccharomyces bisporus
O,65 – 0,60 Levaduras osmofílicas (Saccharomyces
rouxii), algunos pocos hongos (A.
Echinulatus, Monascus bisporus)
0,50
No hay proliferación microbiana
0,40
No hay proliferación microbiana
0,30
No hay proliferación microbiana
< 0,20
No hay proliferación microbiana
Melazas, avena, algunas mieles, gelatina,
nueces, frutas desecadas, azúcar no refinado
Frutas secas, algunas golosinas
Fideos (12 % humedad), especias (10 %
humedad)
Huevo en polvo (5 % de humedad)
Galletitas (3-5 % de humedad)
Leche en polvo (2-3 % de humedad), vegetales
desecados (5 % de humedad), copos de maíz,
sopas deshidratadas, algunas galletitas
p/p0 y deterioro químico de
los alimentos
a) oxidación de lípidos; b) reacciones hidrolíticas; c) pardeamiento no
enzimático; d) isoterma de adsorción, e) actividad enzimática; f) crecimiento de
hongos; g) crecimiento de levaduras; h) crecimiento de bacterias-
p/p0 y oxidación de lípidos
Métodos para determinación de aa
•
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•
•
•
Gravimétrico por interpolación gráfica
Manométricos
Higrometría
Métodos químicos
Descenso del punto de fusión
Métodos de punto de rocío
Métodos termométricos