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EL AGUA
IMPORTANCIA Y ESTRUCTURA DEL AGUA
Disolvente, Reactante y Estabilizante
Constituye :Proporción 60% en el organismo humano (metabolismo) En alimentos en estado natural (excepto granos).Contribuye a la apetencia (textura de frutas, hortalizas, carnes).Turgencia de células y asociación específica y compleja con otros constituyentes.Responsable del deterioro de los alimentos.
Su contenido es fundamental en los métodos de conservación:
DisponibilidadEliminación (secado, congelación)Interacción con aditivos para preservar (NaCl, azúcar, etc)
H
O H
O H
HH
HOH
H
O
H
H
O
109.28º
Configuración tetrahédrica
3.6 moléculas a 0 ºC
Estructura de la molécula de agua
H O H
Forma de la molécula
104.5º
Pares electronicosNo compartidos
Estructura de Lewis
Los pares no compartidos de electrones repelen a los pares adyacentes de electrones, por lo cual el enlace H-O-H es de 104.5º
En el H2O el oxígeno esta rodeado de cuatro regiones de densidad electrónica: dos de estas regiones contienen pares de electrones que se usan para formar enlaces covalentes con dos hidrógenos y otros dos con electrones no compartidos. La forma es tetraédrica
OH H
Orientación de la polaridad
El agua tiene enlaces polares
Estados FísicosGas, Líquido y sólido (1 atm).Los estados físicos están en función de la temperatura y presión
PROPIEDADES Y CONTENIDOPropiedad0 20ºC 0ºC 0ºC (hielo) -20ºC
Densidad (g/mL) 0.99821 0.99984 0.9168 0.9193
Viscosidad (Pa*s-1) 1.002x10-3 1.793x10-3
Presión de vapor (kPa) 2.3388 0.6113 0.6113 0.103
Constante Dieléctrica 80.20 87.90 90 98FIS
ICO
QU
ÍMIC
AS
ALIMENTO AGUA (%)Carnes
De cerdo, cruda, cortes magrosVacuna, cruda, cortes de ventaDe Pollo, de todas clases, crudaPescado, proteínas musculares
53-6050-70
7465-81
FrutasCerezas, perasManzanas, melocotones, Naranjas, UvasFresas, Tomates
80-8590-9590-95
HortalizasAguacates, Platanos, ChicharosRemolacha, Zanahoria, papasEspárragos, Coliflor, Lechuga
74-8085-9090-95
ALI
ME
NTO
S
OTRAS PROPIEDADESH2O H2S H2Se H2Te
P M (g/mol) 18 34 81 130
T fus. (ºC) 0 -86 -64 -57
T eb. (ºC) 100 -61 -42 -2
Intervalo Líquido 100 25 22 55
Compuesto Q vap. (cal/g) ε (20ºC)H2O 538.7 80Metanol 263.0 33Etanol 205.0 24Acetona 125 21.4Cloroformo 59Benceno 2.3Hexano 1.9
Excepto en el agua, a medida que se reduce el peso molecular la TFUS y TEB diminuyen.
Se necesita mucha energía para vaporizar poca agua.
La vaporización de poco agua es suficiente para sustraer mucho calor.
La medida de un disolvente a oponerse a las fuerzas electrostáticas de atracción, entre iones, que evita su unión.
221
DreeF ⋅
=
ESTRUCTURA DEL HIELOEl agua cristaliza en su configuración tetrahédrica abierta (109.0º), cuando es 109º.28’
Bipiramidal Hexagonal
Consecuencia menor densidadExisten otras 11 estructuras menos establesNo hay cristalizados perfectosEl hielo es el mejor conductor de electricidad (2.240 J /ms K)
Enlace covalente H-O= 460 kJ/molEnlace Puente de H= 13 a 25 kJol/mol
0.177nm
0.0965nm
Densidad del Agua
0.930
0.940
0.950
0.960
0.970
0.980
0.990
1.000
-40 -20 0 20 40 60 80 100
T (ºC)
Den
sida
d (g
/cm
3 )
Consecuencia menor densidad y una máxima densidad
CONGELACION-DESCONGELACIÓN
Consecuencia menor densidad
En el hielo 100% de las moléculas establecen puentes de hidrógeno y en el vapor es cero.
A 37 ºC se establece 35-47% de los puentes de hidrógeno.
La retención de agua se da por su interacción con otros compuestos
C
O
HO
H
O
H
HHO
S
H
HHO
N
H
H
HHO
C
OH
O
HHO
AGUA NO CONGELABLELeche descremada
(9.3%sólidos)Leche descremada concentrada
(26% sólidos)
T (ºC)Agua
No congelable (%)
Sólidos enSolución
(%)
AguaNo congelable (%)
Sólidos enSolución
(%)
-24 4 72.0 12.0 74.5
-20 4.5 69.5 14.0 71.5
-16 5.0 67.1 15.5 69.4
-12 5.5 65.2 19.0 54.8
-8 7.5 57.8 26.0 57.5
-4 12.5 45.1 47.0 42.8
-2 25.0 25.0 80.0 30.5
INTERACCIÓN CON PROTEINAS
Agua asociada a grupos polares
Agua asociada orientada
Grupos hidrófobos
Tipos de Puentes de hidrógeno
OTROS SOLUTOS
AGUA COMO DISOLVENTE
OTROS DISOLVENTES
El agua como solvente (iones)
El agua como solvente (Biomoléculas)
Cada molécula de agua obliga a los lipidos a ordenarse
Menos moléculas de agua, aumenta la entropía
Agrupamiento (micelas) mayor entropia
El agua como solvente (Catálisis)
Osmosis
Movimiento del agua a través de una membrana semipermeable por diferencia de concentraciones.
Isotónica: solución de igual osmolaridad (no gana ni pierde agua)
Hipertónica: solución de más alta concentración (la célula se reduce por la salida de agua)
Hipotónica: solución de concentración baja (la célula se hincha por la entrada de agua)
Ionización del aguaEl agua tiene un pequeño grado de ionización
En términos del equilibrio
A 25ºC la concentración de agua es 55.5 M, y su Keq=1.8x 10-16
Por lo que Kw= [H+][OH-]=1.0x 10-14 M2
Cuando [H+] =[OH-] podemos despejar:[H+]2=1 x 10-14= 1x10-7MAsí el pH=7
H2O H++ OH -
[ ][ ][ ]OH
OHHKeq2
−+
=
Escala de pH
Acidos y bases conjugados
INTERACCIONES AGUA-SOLUTO
Agua Ligada e HidrataciónTendencia del agua a asociarse con otra sustancias hidrofílicas o material celular.Entidad heterogénea, fácilmente identificable, de movilidad restringida, correspondiente a la primera capa de moléculas, no congela a -40ºC, no actúa como solvente
Capacidad de Retención Eficacia de una matriz (macromoléculas) de atrapar físicamente grandes cantidades de agua (atrapada).
Principales características del agua atrapadaSe elimina fácilmente durante la desecación y se convierte en hielo durante la congelaciónTiene efectos importantes sobre la calidad de los alimentos
Actividad de Agua (aW)El agua en tejidos animales y vegetales esta como agua ligada o libre, más o menos fuertemente unida.
Una medida de la disponibilidad de agua en alimentos es aW (una medida del descenso de la presión parcial de agua).
La asociación de agua se ve afectada por:
La asociación entre especies químicasDisociación incompleta de electrolitosFuerzas que actúan sobre la estructura del agua
ºW
WW P
Pa =
PW : Presión parcial de vapor de agua de una solución o alimento
PWº : Presión parcial de vapor de agua pura a la misma temperatura
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
-50 -40 -30 -20 -10 0T (ºC)
P (t
orr)
PWº L (torr)
aW=(PWº L/PW H)
PW H (torr)
T (ºC) PWº L (torr) PW H (torr) aW=(PWº L/PW H)
0 4.579 4.579 1.000
-5 3.163 3.013 0.953
-10 2.149 1.95 0.907
-15 1.436 1.241 0.864
-20 0.943 0.776 0.823
-25 0.607 0.476 0.784
-30 0.383 0.286 0.747
-40 0.142 0.097 0.683
-50 0.048 0.03 0.625
Actividad de Agua (aW)
HR: Humedad relativaF: Fugacidad (medida de una sustancia a escaparsema: moles de aguams: moles de soluto
sa
aRW mm
mFFH
PPa
+====
00 100
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
La estabilidad de los alimentos depende del contenido de agua libre
Desarrollo de microorganismosReacciones enzimáticasReacciones químicas
Distribución heterogénea
Diferentes estados energéticosAgua libre o congelableAgua ligada o no congelableZona I, II y III
Zona I (Agua Constitucional)
Fuertemente unidaInmóvilInteracciones agua-ión o agua dipoloNo congela a -40ºCNo actúa como solventeaW= 0.20.03 del agua total en las moléculas
Capa BET
Límite entre zonas I y II
Agua de la monocapaCantidad de agua necesaria para formar una monocapa sobre sitios altamente polares de la materia seca
Cantidad de agua que puede estar fuertemente unida a la materia seca
Zona II
Multicapa (0.5%)
Vecinal (2.0-3.0 %)Se localiza en capas externasaW superior a 0.3La mayor parte no congela a -40ºCPropiedades como solvente reducidasMovilidad reducidaPuentes de hidrógeno agua-agua y agua soluto
Zona III (agua libre o atrapada)
Atrapada en macrocapilaresContiene solutos de bajo PMFácil de congelarPropiedades de solvente similar al agua puraSu eliminación reduce la aW a 0.8Representa el 95% del agua Zona IIB y III: el agua es suficiente para completar una cubierta de hidratación en torno a las moléculas (monocapa verdadera)
INFLUENCIA TEMPERATURAEl valor de aW se incrementa cuando se eleva la temperatura puesto que igualmente lo hace la presión de vapor
0.25
0.0
1.0
0.8
Agua no disponible
Agua Menos disponible
Agua Muy disponible
No
elim
inab
le
Elim
inab
lepo
rco
ngel
ació
nE
limin
able
por
Con
gela
ción
yev
apor
ació
n
aW
ESTRUCTURA DE LOS ALIMENTOSLÍQUIDO
LÍQUIDO VISCOSO
SÓLIDO CRISTALINO EN EQUILIBRIO
SÓLIDO VITREO AMORFO: DULCES, CEREALES, ALGODÓN
Cambios que ocurren en alimentos en función del contenido de agua
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
Vel
ocid
ad re
lativ
a de
reac
ción
Actividad acuosa
Con
teni
do h
umed
ad
a
b c
d
e f
g h
Zona I Zona II Zona III
a. Oxidacion de lípidosb. Reacciones hidrolíticasc. Oscurecimiento enzimáticod. Isoterma del contenido de humedade. Actividad enzimáticaf. Crecimiento de hongosg. Crecimiento de levadurash. Crecimiento de bacterias
Isotermas de adsorción y desorciónaW es una propiedad intrinsecay se relaciona con la HR.Por ello no hay que confundir el contenido de agua con aW
Relación no lineal
HR y T
Absorción
Desorción
Keqt0
t1
PW
HISTERESISEl fenómeno en el cuál el proceso de adsorción de un alimento para adquirir agua del ambiente, no sigue un mismo patrón para deshidratarse o desorber el agua a T y HR constantes
Debido a que el secado produce daños se alteran grupos polares de moléculas, lo que provoca la nula interacción con el agua
Desorción
20 40 60 80 100
A
B C
Adsorción
Humedad relativa o aW
Con
teni
do d
e ag
ua(g
H2O
/100
g de
mat
eria
sec
a)
10
100
Ecuación de Clausius Clapeyron
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
21
11ln2
1
TTRQ
aa S
W
W
( )CM
CaCMaM
a W
W
W
11
11)1(
−+=
−
aW : actividad de agua (g agua/ 100 g de materia seca)QS : temperatura de adsorción-desorción (cal/ mol o J/mol)T : temperatura (K)R : constante gas ideal.
A humedad constante
Ecuación Brunauer, Emmett y Teller (isoterma BET)
aW :actividad de agua (g agua/ 100 g de materia seca)M :Contenido de agua del producto (g agua/ 100 g de materia seca)M1 :Contenido de agua correspondiente a la capa monomolecular (g agua/ 100 g de materia seca)K : Constante de velocidad de adsorción-desorción depende del orden
RTQS
xpKC l⋅=
ACTIVIDAD ACUOSA Microorganismos
Organismo Mínima Organismo Mínima
Mayoría de las bacterias dañinas 0.91 Salmonella 0.95
Mayoría de las levaduras dañinas 0.88 Clostridium botulinum 0.95
Mayoría de los hongos dañinos 0.80 Escherichia coli 0.96
Bacteria halófilas 0.75 Staphylococcus aureus 0.86
Levadura osmófila 0.60 Bacillus subtilis 0.95
La aW influye en el crecimiento de los microorganismos, con ello se puede propiciar o inhibir, junto con la temperatura, pH y oxígeno.
Los métodos de conservación se basan en la reducción y control de la actividad acuosa (concentrados o deshidratados).
Esto estabiliza los alimentos.
MÉTODOSF:calentamientot :enfriamientoRVP: presión de vapor relativapH: acidificaciónEh: pontencial redoxCons: conservantesN: nutrientes
PARA CONTROLARMICROORGANISMOS
SOLUTOSSal (NaCl, KCl, Fosfatos)Azúcares (sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa, lactosa)Ácidos (fosfórico, citrico, ascórbico, fumárico)Hidrolizados de ProteínaAminoácidos (alanina, glicina)