Download Diapositiva 1 - WordPress.com

ACTIVIDAD DE AGUA EN LOS
ALIMENTOS
Dr.C. Aldo Hernández
Instituto de Farmacia y Alimentos
Universidad de La Habana
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.
•
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.
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.
La actividad de agua
• A esta disponibilidad se le denomina
actividad de agua (aw).
• 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.
Concepto de actividad de agua (aw)
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)(ni)
dG = VdP – SdT + Σin[dG/dni]T,P,ndni
Concepto de actividad de agua (aw)
En la anterior ecuación se incluye el término
potencial químico del componente (µi) o energía libre
parcial molar.
De igual modo para una mezcla binaria como puede
ser un alimento:
µvapor = µalimento
µw + RTln fw = µºw + RTln aw
Por lo tanto, la actividad de agua (aw) 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 (aw)
Desde el punto de vista termodinámico aw
quedaría:
aw = e[µ
w
- µºw/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 (pw) y la del agua pura (pºw) o
en función de las humedades relativas.
Concepto de actividad de agua (aw)
aw =pw/pºw
aw = %(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
Presión parcial y presión de vapor
• Presión Parcial (Pvf)
La presión
ejercida por las
moléculas de una sustancia en una
mezcla gaseosa.
• Presión de Vapor (Pºw)
La presión ejercida por el vapor de
agua cuando el líquido y el vapor
están en su equilibrio
N2 + O2 +H2O
PT = PO + PN +PH
A presión ambiente de 14,7 psi
y 50 % HR
pN = 11,195 psi
pO = 2,975 psi
pW = 0,53 psi
po = 1,06 psi
T ~ 104oF
Isoterma de adsorción y desorción de
agua
I
II
III
Velocidad relativa de las reacciones degradativas en función
de la actividad del agua (Labusa, 1970).
Actividad de agua y las reacciones deteriorativas
Intervalo de
Tipo de reacción
Tipo posible de reacción
actividad de agua deteriorativa predominante deteriorativa
1 – 0,80
Crecimiento de
microorganismos
Reacciones enzimáticas
1 – 0,91
Bacterias
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)
Reacciones enzimáticas, auto
oxidación
0,3 – 0,0
Autooxidación, cambios
físicos
Reacciones de decoloración no
enzimática, reacciones enzimáticas
Producto
aw
Humedad
(%)
Leche
0,994
Carne fresca
0,985
70
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
87
1.5
Clasificación de los alimentos en
base al valor de la aw
•Alimentos deshidratados
•Alimentos concentrados
•Alimentos de humedad intermedia
(0,65 < aw < 0,95)
•Alimentos de alta humedad (conservados
por métodos combinados) (aw> 0,95)
Limites máximos de aw 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 aw
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
Métodos para la determinación de la
actividad de agua
• Existe una gran variedad de métodos, la
selección dependerá de los costos,
intervalos de aw, exactitud, rapidez del
método, calibración y mantenimiento de
cada equipo.
• Se clasifican atendiendo al principio que
utilicen para la medición.
Clasificación de los métodos de
medición aw
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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
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:
• Preparación de la muestra, bien
dividida
Recipiente
cerrado
• Los pesafiltros se pesan
periódicamente hasta que no haya
Solución variación entre pesadas (equilibrio).
salina
• Los datos promedios de al menos
saturada tres determinaciones se informan
como aw
Muestras
T constante
• Colocar cantidad de muestra
conocida en pesafiltros
Actividades acuosas de las soluciones salinas
usadas en la determinación aw
Sal
Temperatura ºC
5
10
20
25
30
40
50
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
0,432
-
-
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
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 aw ( intervalo)
• Ejemplo: 0,25 < aw < 084
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 aw de soluciones salinas), se traza una línea que
una todos los puntos y se determina aw
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.
Medidor de actividad de agua
Rotronic
Especificaciones: Rango: 0,000 a 1,000 Aw (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 Aw (0,1% HR) Resolución
de temperatura: 0,1 º F / °c Precisión actividad del Agua: ± 0,001 Aw de
Precisión de Temperatura : ± 0,1 ° F / C
Higrómetro
El equipo debe ser calibrado utilizando sales sobresaturadas con aw
conocida.
Método
Isopiéstico
Aw recomendada
Precisión
Uso en alimentos
Otras
características
0,80 – 0,99
0,005
Cualquier alimento
Aproximación al equilibrio 0,40 - 0,98
0,001
Azúcares, materiales Barato, rápido,
higroscópicos, jaleas, sencillo, útil para
queso
análisis de rutina
Interpolación gráfica
Presión de vapor
0,55 – 1,00
0,01
Termopar psicrométrico
Punto de rocío
0,75 – 0,99
0,003
Barato, sencillo,
recomendado
para análisis de
rutina
Carnes, queso
Barato, sencillo y
rápido.
Alimentos sin
actividad respiratoria,
piezas de res, cereales,
pasas.
Muestras
grandes, (10 a 50
g), lento, método
estándar
Cualquier alimento
Requiere una
velocidad
mínima de aire,
tiene problemas
de condensación
y transferencia
Cualquier alimento Costoso,
rápido
Resumen
sobre los
métodos
para
determinar la
aw
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
Ley de Raoult
Este es el modelo más simple para predecir aw de
soluciones ideales que contienen soluto de bajo
peso molecular.
aw = Xw = nw/(nw + ns)
Xw _Fracción molar de agua
nw _Moles existentes de agua en 100 g de
alimento.
ns _Moles existentes de soluto en 100 g de
alimento.
Modelo Money y Born
Este modelo fue propuesto a partir de la ecuación
de Raoult para ser utilizada en la predicción de la
aw de productos de confitería.
Aw = 1 – 0,27 n
n _ Representa el número de moles de azúcar en
100 g de agua.
Modelo de Grover (1947)
Ecuación empírica para calcular aw en dulces y materiales análogos.
aw = 104 - 10Es + 0,45Es
Es = E1X1 + E2X2 + …EnXn
Componentes
Valores de E
Gomas, almidones y pectinas
0,8
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
E_ Constante para algunos componentes
comunes.
X_ Concentración del componente (g/g)
Ecuación de Norrish (1966)
Para calcular aw para componentes múltiples
lnaw = lnXw + KlnX2
lnaw = lnXw + [(- K10,5X1) + (K20,5X2) + ….]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)
Ecuación de Ross (1975)
Esta ecuación es muy útil para alimentos de humedad
intermedia
aw = (aw)1(aw)2(aw)3 ….
aw_Actividad de agua de los diferentes
componentes que constituyen el alimento
Aplicación de modelos predictivos de aw
en algunos alimentos dulces
Producto
Experimental Grover Money Born Norrish
FerroFontán
Jalea de uva
0,824
0,819
0,787
0,837
0,800
Mermelada de
fresa
0,840
0,916
0,792
0,841
0,832
Mermelada de
fresa B
0,839
0,809
0,787
0,837
0,793
Mermelada de
fresa C
0,826
0,775
0,766
0,815
0,757
Mermelada de
mango
0,879
0,861
0,842
0,883
0,858
Aplicación de modelos predictivos de aw
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
Ejemplo de la predicción de actividad de agua
Jarabe de sacarosa con 26, 5 % en peso de dicha azúcar.
aw experimental = 0,98
Base de cálculo 100 g para la composición molar
nH2O = 73,15/18 = 4,083
nsacarosa = 26,5/342 =0,078
ntotales = 4,083 + 0,078 = 4,161
Xw = 4,083/4,161 = 0,981; Xsacarosa = 0,078/4,161 = 0,019
Cálculo de aw
a) Por la ley de Raoult: aw = Xw = 0,981
b) Usando la ecuación de Norrish con valor de K = - 6,47
lnaw = ln(0,981) + (- 647(0,019)2 = - 0,0213356
aw = 0,979
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. 2001.
• Barbosa-Cánovas G.;. Juliano P. and Peleg M. Engineering properties of foods.
Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS).s/f