71488726-Capitulo-2-Agua

Capitulo ll. El Agua en los alimentos

Bioquímica de Alimentos

América Chávez Martínez, PhD.

El agua en los alimentos

Objetivos

• Conocer la estructura del agua, y las formas en que interaccionan las moléculas entre ellas y con otras moléculas.

• Explicar los conceptos de "puente de hidrógeno" y de "enlace hidrofóbico"

• Distinguir conceptualmente el "agua ligada" del "agua libre", así como los conceptos de "agua vecinal" y "agua multicapa"

• Conocer el concepto de "actividad de agua"• Evaluar el efecto de los solutos en la actividad de agua• Evaluar la importancia relativa de cada forma de alteración en

función de la actividad de agua en el alimento • Evaluar la importancia de la movilidad de las moléculas en la

alteración de los alimentos

Resultado de aprendizaje

Discriminar los diferentes grados deligazón del agua por los solutos quecomponen los alimentos y definir la diferenciaentre el termino actividad de agua (Aw) y elcontenido de humedad, así como identificarlas propiedades y características que el aguaproporciona a los alimentos, incluyendo larelación con su vida en anaquel.

Importancia del agua en los alimentos

De la presencia y proporción del agua en los alimentos dependen las propiedades de textura como la viscosidad, elasticidad y consistencia calidad de los alimentos.

Cereal crujiente vs cereal humedecido

Salchicha seca vs salchicha húmeda

Yogur espeso vs yogur liquido


El contenido de agua juega un papel muy importante en la conservación de alimentos

Reacciones de deterioro:

Químico contenido de agua

Enzimático y grado de ligazón

Microbiológico de esta por los

solutos que

componen el alimento


Deterioro causado por moo’s., uno de los factores que define el crecimiento microbiano es la Aw (agua disponible), que es el agua requerida para:

Desarrollo de moo’s.Reacciones quimicasReacciones enzimaticas

Aw < 0.6, el alimento esta a salvo del deterioro microbiano

Mediciones de Aw

Mediciones de AwMediciones:

• Mide el contenido de humedad y la actividad de agua.

• Se puede emplear, entre otros, en estudios de vida útil e isotermas, evaluación del efecto de la temperatura en la aw de las muestras, así como para el cumplimiento y seguimiento de las normativas y requisitos privados y/o gubernamentales sobre aw y temperatura.

Especificaciones:

• Intérvalo de actividad de agua (aw): 0,10 - 0,95

• Precisión en las medidas de contenido de humedad: 0,02%

• Compatibilidad con el método de referencia del contenido de humedad: ±0,1% a ±0,5%


En el caso de deterioro ocasionado por rxn’senzimáticas o químicas, el agua actúa como medio de reacción, por lo cual tendrá un valor optimo, y del mismo modo siempre tendrá un valor mínimo que permita la difusión de los reactantes.


El estado del agua en los sistemas alimenticios esta en relación directa con la polaridad de los solutos y de esta relación dependen características como:

1. El comportamiento de sorción.2. Características reológicas3. Desarrollo microbiano4. Actividad enzimática5. Deterioro oxidativo de las grasas…..la vida en anaquel esta directamente ligado con el

contenido de agua.


Un experto en alimentos debe manejar estos conocimientos, por lo que debe iniciar su estudio con formula y estructura de la molécula del agua, de la que dependen sus propiedades físicas:

Punto de fusiónPunto de ebulliciónTención superficialCapacidad solvente

Constante dieléctricaDensidad, etc.


Aunque el agua no posee estrictamente ninguna de las denominadas propiedades funcionales, las interacciones entre esta y los distintos solutos constituyentes de los alimentos las generan, así se producen las características de:

Capacidad espumante

Capacidad edulcorante

Capacidad emulsificante

Capacidad espesante

Estructura y propiedades del agua

• Constituida por dos atomos de H unidoscovalentemente a uno de oxigeno

• Es altamente polar• No es lineal y crea estructuras tridimensionales

debido a la hibridacion de las orbitas moleculares s y p del oxigeno

• En el agua existen cuatro par de electronesalrededor de un atomo de oxigeno. Estoselectrones estan en cuatro orbitales sp3

• Dos de estos pares estan covalentementeligados a dos atomos de hidrogenoa un atomo central de oxigeno.


• Los otros dos pares de electrones se mantienenlibres (no ligados)

• La geometria del agua es un tetrahedro desordenado

• La electronegatividad del atomo de oxigeno induce un momento dipolar neto

• Debido a su momento dipolar, el agua puede funcionar comodonador y aceptor de hidrogeno


• Considerando la estructura de la molécula del agua se observa que posee cuatro sitios en los cuales puede enlazarse a otras moléculas en interacción inversa, aparentemente 4 moléculas, sin embargo, solo el hielo a muy bajas temperaturas tiene 4 moléculas en torno.

• El agua fluida tiene 4.4 a 4.8, como si en su entorno al arreglo tetraédrico anduviera en las proximidades una quinta molécula “no acomodada”.


• El agua fluida en un volumen definido posee un numero mayor de moléculas que las que contiene el hielo en el mismo volumen.


Al congelarse el agua, la quinta molécula sale de la vecindad y se enlaza con otras cuatro moléculas ocupando un volumen mayor, lo que explica porque revientan las sodas cerradas en el congelador

Al numero de moléculas enlazadas por cada moléculas de agua se denomina numero de coordinación.


El enlace a través del cual se une el agua con las demás moléculas de agua se llama puente de hidrogeno, que se define como un enlace en el cual el hidrogeno sirve de puente entre dos elementos muy electronegativos, unido a ellos covalentemente y al otro por carga residual.

Efecto de distintos tipos de solutossobre las propiedades del agua

• La presencia de solutos de tipo ionico, no ionico polar y apolar causa cambios muy importantes en la estructura del agua y esto se refleja en sus propiedades fisicas

• Estos efectos se aprecian en la llamadas propiedades coligativas: depresion de la temp. de congelamiento y aumento de la de ebullicion, la reduccion de la Pv y la modificacion de la presion osmotica.


• Estudio de disoluciones acuosas = Ec.modelostermodinamicos para slns.ideales como la Ley de Raoult:

“cuando se agrega un soluto a un solvente puro disminuye la presión de vapor del solvente. Entre más se agrega más disminuye la presión de vapor. Este estatuto llego a ser conocido como ley de Raoult.”


La depresion de congelamiento del agua es proporcional a la concentracion del soluto:

Δt=Kn/p

Δt = depresion de la temp.de congelamientoK = constante que depende del disolvente (1858

agua)n = no. de moles del soluto (g/pm)p = peso del disolvente


Uso en la industria

La medición de la depresión de temp. De congelamiento se usa como control de calidad en la industria de la leche, esta lleva disueltas varias sustancias de bajo peso molecular (lactosa y algunas sales) que hace que congele alrededor de -0.54°C.


Presencia de iones en el agua.

• Algunos iones se reconocen como fraccionadores de estructura ya que generan campos eléctricos débiles (bajo poder polarizante), entre estos están K, Cs, Rb, etc.

• Y por otro lado están los que generan campos eléctricos fuertes (alto poder polarizante) y por ello poseen alta capacidad para retener agua, entre ellos están Na, Ca, Mg, Al, etc.


• El agua queda unida a los iones en interacción inversa a través de enlaces ion-dipolo.

• El agua ligada es menos móvil que en el agua pura, por eso se consideran reforzadores de la estructura del agua.

• En resumen, el agua disuelve sales tales como el NaCl hidratando y estabilizando los iones de Na+

y Cl-, debilita las interacciones electrostáticas entre ellos y evitando la tendencia que tienen a asociarse formando una red o matriz cristalina.


¿De que depende la capacidad de ligar agua por los iones?

De su poder polarizante, que es la relación de la carga del ion entre el tamaño de su radio.

- Disminuye cuando aumenta el tamaño del radio para una carga dada.

- Disminuye a medida que disminuye su carga para un radio dado.


• En el seno del agua las moléculas se encuentran ligadas por las fuerzas de cohesión, produciendo entre ellas repulsiones y compresiones debido al movimiento de las moléculas; estas presentan una tendencia reversible a escaparse del liquido, a esta tendencia se le denomina presión de vapor, que aumenta con el incremento de la temperatura.

• En un sistema cerrado la tendencia de las moléculas a salir del seno del agua y de regresar a el alcanzan el equilibrio.

• A la presión en la fase de vapor se le denomina presión de vapor.


• Mientras mayor sea la cantidad de agua ligada o mientras mas fuerte ligue el soluto a las moléculas de agua, menor será la Pv de la solución.

• Para el agua pura estas fuerzas son constantes, pero al agregar un soluto la Pv se reduce considerablemente, dependiendo de la concentración del soluto y de la fuerza con que se ligue el agua.


Presencia de solutos polares, con capacidad de formar puentes de hidrogeno.

•Cuando se agrega al agua este tipo de soluto, los puentes de H entre las moléculas de agua se rompen y forman puentes de H agua-soluto.•Estos solutos tienen muy poca influencia en la estructura del agua.•La mayoría de los solutos obstaculiza la congelación (proteínas, carbohidratos, polioles, etc.)


• Estos se pueden formar entre átomos electronegativos (El aceptor de hidrógenos, generalmente oxigeno o nitrógeno con un solo par de electrones) y un átomo de hidrogeno covalentemente unido a otro átomo electronegativo (donador de electrones) en la misma o otra molécula.


Presencia de solutos no polares.

• Dado que no pueden enlazarse con el agua, favorecen en enlazamiento agua-agua, como los hidrocarburos y los grupos no polares de ácidos grasos, aminoácidos, proteínas y otros compuestos.

• Al mismo tiempo se favorecen las asociaciones entre los grupos hidrofobicos que presentan algunas regiones de las macromoléculas, estas asociaciones ocasionan el plegamiento del compuesto.


Presencia de componente antipáticos

• Cuando un componente antipático (aquellas moléculas que poseen un extremo hidrofílico o sea que es soluble en agua y otro hidrófobo o sea que rechaza el agua) es mezclado con el agua, la región polar hidrofilica interactúa favorablemente con el solvente y tiende a disolverse; pero la regio no polar hidrofobica tiende a evitar el contacto con el agua.


Presencia de solutos inertes

• Los solutos inertes como los gases raros, hidrocarburos, CO2 y otros pueden presentar dos tipos de interacciones, una es la formación de hidratos de clatratos y otra son las interacciones entre huesped-anfitrion (fuerzas de van der waals y pudieran darse interacciones electrostáticas)


• La formacion de hidratos de clatrato, son inclusionesde solutos inertes dentro de estructuras tipo jaula, constituidas por 20-30 moleculas de agua.

• La molecula huesped debe tener un tamanosuficientemente pequeno para tener acceso a la jaula.


Importante en alimentos:

I. Los solutos polares y los iones fijan el aguaen una solucion, por lo que el aumento en la concentracion de estos compuestos(azucares y sales) equivale a llevar acabo unadesecacion del alimento.

Ejemplos: carne seca (sal), cubiertos de calabaza (azucar).


ll. Los coloides hidrofilos convierten el aguapresente en un alimento en indisponible al retenerla a traves de puentes de H y al mantenerla fisicamente ocluida en la matrizdel polisacarido.


lll. El agua de cristalizacion o de hidratacion no suele estar disponible, ya que cuando el agualibre cristaliza para formar hielo ya no puede ser utilizada para llevar acabo otras funciones comodisolver otros solutos, servir como agua de reaccion o para sustentar el desarrollomicrobiano.

Por tal motivo los alimentos congelados duranmas que los alimentos frescos.


lV. El agua no solo es fijada por los solutos, sinoque cuando es mayor en el medio extracelular, el agua tiende a salir de las celulas por el efecto de osmosis.

Efecto MUY IMPORTANTE EN LOS ALIMENTOS, ya que causa desecacion en carne y vegetales.

Distribucion del agua en los alimentos

• El agua en los alimentos se encuentra ligada con diferentes fuerzas de ligazon, entonces existedesde agua practicamente libre, que actua comoagua de difusion y de reaccion de los componentes, hasta agua fuertemente ligada, que corresponde a la fraccion del agua queinteractua directamente con los demasconstituyentes de los alimentos.

• De acuerdo con los conceptos de grado de ligazondel agua, el contenido total del agua de los alimentos se clasifica en tres tipos.


Agua tipo I.- Elevada energia de enlazamiento.- Corresponde a la monocapa de adsorcion del

agua por los solutos- Ligada directamente a los solutos como agua de

hidratacion de los compuestos quimicos y de los iones

- Es agua ordenada e inmovilizada, cuya capacidadsolvente esta altamente reducida y es NO CONGELABLE.


Agua tipo II.- Se encuentra enlazada por puentes de H agua-

agua y agua-soluto formando capaz en torno al soluto.

- Zona de las multicapas- Incluye el agua incluida en los microcapilares que

conforman la estructura del alimento- Su movilidad y capacidad solvente estan reducidas

altamente- Su punto de congelacion esta muy reducido e

incluso PUEDE SER NO CONGELABLE


Agua tipo lll.

- Agua fisicamente atrapada en los tejidos porlas membranas, macrocapilares, fibras y formaciones producidas por la propiaestructura microscopica del alimento

- Esta fraccion del agua posee movilidad, capacidad solvente y temperatura de congelacion ligeramente reducida comparadacon la del agua pura


Ahora bien, dependiendo del tipo de agua quecontienen los alimentos, estos se clasifican en:

1. Secos o deshidratados.- solo contienen aguatipo l

2. Alimentos de humedad intermedia.- contienenagua tipo l y ll

El contenido de humedad NO DEFINE la Aw de cadaalimento, esta ultima depende del tipo de constituyentes, de su proporcion y de la capacidadque poseen de ligar agua.


Agua zona l. se elimina parcialmente pordeshidratacion (0-6% del total del agua).

Agua zona ll. La eliminacion de esta agua suprimela posibilidad de desarrollo microbiano y de la mayoria de las reacciones quimicas, puede ser eliminada por deshidratacion (6.5-14% del total del agua).

Agua tipo lll. Representa la mayor parte del aguade los tejido vegetales y animales, facilmenteeliminable.

Isoterma de sorcion de los alimentos

• En los alimentos existe agua libre y agua ligadaa traves de diferentes fuerzas, puentes de H, ion-dipolo y otras interacciones polares, estascaracteristicas de ligazon del agua determinanel valor de la presion de vapor de los alimentos.

• La Aw es entonces una relacion entre la presion de vapor de un alimento y la presionde vapor del agua pura (Aw=Pv/Pv°)


• La Aw corresponde a la cantidad de aguadisponible para reacciones quimicas y enzimaticas asi como para el desarrollomicrobiano y es un valor DIFERENTE a la cantidadde agua total del alimento.

• La HRE corresponde al valor de la Aw expresadocomo porcentaje, tambien puede ser la Pv en la atmosfera de una camara cerrada que contieneuna determinada solucion cuando se alcanza el equilibrio.


• La sorcion es el resultado de la tendencia a establecer el equilibrio entre la Aw del alimento y la humedad de la atmosfera que lo rodea.

• Cuando se seca o humecta un alimento?

• Si se grafica la variacion del contenido de humedad de un alimento bajo diferenes HRE, se obtendra una curva denominada isotermade sorcion.


De acuerdo con el tipo de agua de los alimentos se pueden distinguir tres zonas en una isoterma de sorcion.


Las isotermas pueden ser de adsorcion o de desorcion.


Por otra parte, la Aw se incrementa cuando se incrementa la temperatura, ya que igualmentelo hace la presion de vapor.

Ejemplo: frutas semideshidratadas con 45% de humedad, empacadas en carton y equilibradascon la atmosfera a 20C. Durante el envio la temp. del camion subio a 35C. Como afectaesto su vida en anaquel?


Desde el punto de vista tecnologico, las isotermasde sorcion son utilizadas para predecir el tiempode secado de alimentos.

En relacion con la vida en anaquel de los alimentos, el contenido de agua disponible en los alimentosesta directamente relacionado con el tiempo quetranscurre desde su manufactura hasta queaparecen los primeros sintomas de deterioro.

Dependiendo de la Aw, varia la susceptibilidad a lasreacciones de deterioro.

Isoterma de sorción de los alimentos

Los siguientes datos son contenidos de humedad que alcanza un alimento al ser expuesto a diferentes humedades relativas en el equilibro:

Elabore la

isoterma de

sorcion de un

alimento

Contenido de

humedad

Aw

0.08 0.10

0.11 0.25

0.17 0.50

0.24 0.70

0.35 0.90

0.45 1.00


0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Aw

Contenidode

Humedad

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