• 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
Banana, arvejas, palta, papas, nabo, peras, remolacha, brócolis, zanahoriaFrutos azulesJugos y néctares de frutasManzana, durazno, naranja, PomeloFrutos cítricosLeche fluidaFrutilla, tomateEspárrago, repollo, coliflor, lechugaRabanitoMelón, pepino
Crema de leche, heladosBatatas
PescadoChauchas
Quesos frescosAceitunas
HuevoCarne de pollo
Jaleas, mermeladasQuesos maduradosPanesAderezos para ensaladasTortas, budines, masasCarne de cerdoCarne de vaca
Harinas, sémolas Legumbres secas
Manteca, margarina, mayonesaMiel
Frutas desecadas
0 - 12
10 - 25
30 - 60
60 - 78
75 - 97
Aceites y grasasAzúcar, caramelos durosChocolate amargoLeche en polvoCereales en coposFrutas secasGalletitas, vegetales deshidratadosFideos secosGranos enteros (cereales)
Contenido de agua de alimentos comunes (%)
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
Asociación intermolecular mediante puentes de H formando
estructuras tetraédricas
Sitios donadores de enlaces de H
Sitios a
cept
ores
de
enlac
es d
e H
H
H
O
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 masiva
(disponible)
Agua ligada
(no 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 ClO4- → no generan mayor grado de orden
Otros efectos provocados por los iones
• Compiten por el agua con otros solutos
• Modifican constante dieléctrica
• Condicionan dispersabilidad de macromoléculas
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
│
O│HO
H
H
O
HH O
HH O H
H
OHH
INTERACCIONES AGUA-SOLUTOS NO POLARES
• Interacción hidrofóbica (se minimiza contacto agua-molécula no polar)
• Asociación hidrofóbica
R(aq) + R (aq) R2 (aq) + H2O
• Formación de clatratos hidratos: estructura de inclusión geliforme
• Hidratación hidrofóbica
• Gran influencia en funcionalidad de proteínas
• Proceso termodinámicamente desfavorable
• Se fomenta interacción entre grupos hidrofóbicos
• T favorece
ACTIVIDAD DE AGUA (aa)
Predictor de estabilidad y estado sanitario de un alimento
AGUA COMO COMPONENTE DE LOS ALIMENTOS
HUMEDAD: contenido de agua total 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 T cte.
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
Condiciones de medición de p
Soluto ideal, sol. diluidaEquilibrio 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)CEEPunto crítico en HACCP
d (ln aa) ∆Hs= −
d (1/T) R
T: temperatura (°K)R: Cte. de los gases ∆Hs: Calor de sorción
Integrando:
ln aa = ln p/p0 = − ∆Hs / R . 1/T
Efecto de la Temperatura
Ecuación de Clausius-Clapeyron
lnp
/p0
1/T
Coeficientes de T dependen de composición del alimento
(Entre 5 – 50 °C)
Ricos en carbohidratos: 0,003 / °CProteicos: 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 crioprotectoresagentes microbianos sustancias ácido-baseagentes oxidantes/reductores
no pueden predecirse con
certeza mediante aa
debajo de O °C
Cambian implicancias de valores de aa
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 H
2O
/ g
m. s
.
aa
0.20.1 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0
ZONA
I
ZONA
II
ZONA
III
ZONA I: Agua fuertemente ligada, asociada mediante interacciones ión-dipolo y dipolo/dipolo. No congela a -40 °C. No es solvente. No ejerce efecto plástico.
Límite I-II: Agua de monocapa sobre grupos altamente polares.
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.
Límite II-III: Se completa monocapa en torno a macromoléculas.
ZONA III: Agua no ligada. Capacidad solvente. Congelable. Modifica matriz (transiciones vítreo-elásticas).
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
AGUA TOTALMENTE
LIGADA
AGUA NO LIGADA
(MASIVA)
Ten
acid
ad d
e u
nió
n
aa
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
H2O asociada
mediante
puentes de H
0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
Fracción de agua con mayor movilidad determina estabilidad
Agua disponible para reacciones de deterioro y crecimiento de microorganismos
Contenido
de humedad
(g/g
materia
seca)
1: confitura (principal componente: sacarosa )2: extracto de achicoria “spray-dried”3: café torrado4: extracto de páncreas porcino en polvo5: almidón de arroz
Isotermas de resorción de algunos alimentos y muestras biológicas
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)
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
0,95 – 0,91
0,91 – 0,87
0,87 – 0,80
0,80 – 0,75
0,75 – 0,65
O,65 – 0,60
0,50
0,40
0,30
< 0,20
Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Shigella. Klebsiella, Bacillus, Clostridium perfringens, algunas levaduras Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, Clostridium botulinum, Serratia, Lactobacillus, Pediococcus, algunos hongos y levaduras (Rhodotorula, Pichia) Muchas levaduras (Candida, Torulopsis, Hansenula) Micrococcus La mayoria de los hongos (Penicillum micotoxigénico), Staphylocossus aureus, la mayoría de Saccharomyces, Debaryomyces La mayor parte de las bacterias halofílicas, Aspergillus micotoxigénicos Hongos xerofíticos (Aspergillus chevalieri, A. candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus Levaduras osmofílicas (Saccharomyces rouxii), algunos pocos hongos (A. Echinulatus, Monascus bisporus) No hay proliferación microbiana No hay proliferación microbiana No hay proliferación microbiana No hay proliferación microbiana
Alimentos altamente perecederos (carnes, frutas, vegetales, frescas o en conserva), leche, panes; alimentos que contienen hasta 40 % de sacarosa o 7 % de NaCl Algunos quesos (cheddar, suizo, provolone), carnes curadas, algunos jugos de fruta concentrados; alimentos que contienen hasta 55 % de sacarosa o 12 % de NaCl Embutidos fermentados, quesos secos, margarina; alimentos que contienen hasta 65 % de sacarosa o 15 % de NaCl La mayoría de concentrados de frutas, leche condensada azucarada, jarabe de chocolate, harina, arroz, legumbres Mermeladas, frutas glaceadas, algunas mieles 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
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-
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