Aw_PUJ_2013_2
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AGUA y ACTIVIDAD DE AGUA (Aw) Bibliografía - J.C. Cheftel – H. Cheftel BIOCHIMICA E TECNOLOGIA DEGLI ALIMENTI , Vol 1. EDAGRICOLE. - P.J.Fellow – FOOD PROCESSING TECHNOLOGY, Ellis Horwood 1 Universidad Pontificia Javeriana Paolo Lucci, PhD
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AGUA
y
ACTIVIDAD DE AGUA (Aw)
Bibliografía
- J.C. Cheftel – H. Cheftel BIOCHIMICA E TECNOLOGIA DEGLI ALIMENTI , Vol 1. EDAGRICOLE.
- P.J.Fellow – FOOD PROCESSING TECHNOLOGY, Ellis Horwood
1
Universidad Pontificia Javeriana
Paolo Lucci, PhD
0
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20
30
40
50
60
70
80
90
100
lattuga pomodori carote patate agrumi ciliegie carne
magra
cruda
salame latte formaggio burro pane
bianco
pasta secca pasta
all'uovo
secca
AGUA
Es el componente más abundante de la mayoría de los alimentos
CONTENIDO MEDIO (%) EN ALGUNOS ALIMENTOS
2
lechuga tomate zanahorias papas agrios cerezas Carne
Salami
Leche
Queso
Mantequilla
Pan blanco
Pasta
Pasta
fresca
AGUA
Generalidad
Fórmula molecular H2O
Masa molar 18.02 g/mol
Densidad 1000 kg/m3, liquido
917 kg/m3, solido
Punto de fusión 0 °C (273.15 K) (32ºF)
Punto de ebullición 100 °C (373.15 K) (212ºF)
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ESTRUCTURA DEL AGUA
En el estado de vapor, la molécula de
agua es un monómero
En el estado sólido, es un polímero con una
estructura cristalina donde cada molécula de
monómero se vincula a otros cuatro mediante
enlaces de hidrógeno
O H
H
O
H
HHO
H
O
H
O H
H
H
Ángulo 109°
Distancia entre dos átomos de O = 0,276 nm
La energía de un enlace de hidrógeno es del orden
de 20 kJ/mol
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En el estado liquido, el agua tiene características químicas y físicas de un polimero y de un
monómero. Los valores altos del punto de fusión, punto de ebullición, calor latente de fusión y
vaporización, calor específico, constante dieléctrica, etc. se deben a la presencia de puentes de
hidrógeno del polímero reticulado. Por otro lado los valores de viscosidad y el coeficiente de
difusión del agua son típicas de un monómero.
Según algunos investigadores, el estado líquido se caracteriza por un
equilibrio dinámico donde participan monómeros y polímeros, y donde los
polímeros forman grupos cuya vida útil es muy corta.
La estructura del agua líquida se ve afectado por las sustancias en solución:
los electrolitos (K+,Na+,Cl-) altamente hidratado van a disminuir el número de enlaces de
hidrógeno
Algunas sustancias son capaces de formar puentes de hidrógeno, y modifican las
asociaciones entre las moléculas de agua de acuerdo a su compatibilidad con la red existente
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ESTRUCTURA DEL AGUA
Propiedades Físicas y Químicas del agua
En cuanto a los cambios de estado
Calor específico: cantidad de calor que puede causar cambios en la temperatura del
agua de 1°C (4,19 KJ/Kg)
Calor latente de fusión: calor absorbido por el hielo durante la fusión
Calor latente de vaporización: el calor absorbido por el agua durante la evaporación
(2260 KJ/Kg)
Conductividad térmica: es la cantidad de calor que pasa a través de dos superficies
opuestas con un volumen de 1 m3 y una diferencia de temperatura de 1 °C
Viscosidad: mide la cohesión del líquido
Todas estas propiedades afectan las operaciones de cocción, esterilización,
concentración, deshidratación y congelación de los alimentos 6
En cuanto a poder disolvente
La constante dieléctrica: es una indicación de la intensidad de las interacciones entre los
dos iones y es inversamente proporcional a la fuerza de interacción entre dos iones (ley de
Coulomb F=k[q1q2/r2]). La constante dieléctrica del agua es la más alta de un líquido puro (a
18° C è 81,07 Farad/m), lo que significa que las interacciones iónicas en el agua son muy
débiles en comparación con otros disolventes. Esto se debe al hecho de que el agua solvata
los iones con carga a través de interacciones dipolo.
Momento dipolar: Cada dipolo tiene un momento dipolar, que se define por μ = qr, donde q
indica la intensidad de la carga y r la distancia entre los dos átomos. El elevado momento dipolar
del agua conduce a una disminución de la atracción entre las partículas de carga opuesta de
soluto y por lo tanto facilita su disolución
La tensión superficial se expresa como la fuerza con que las moléculas de la superficie son
atraídos el uno al otro (72 dine/cm a 25 0°C). 7
Propiedades Físicas y Químicas del agua
En cuanto a poder disolvente
La constante dieléctrica: es una indicación de la intensidad de las interacciones entre los
dos iones y es inversamente proporcional a la fuerza de interacción entre dos iones (ley de
Coulomb F=k[q1q2/r2]). La constante dieléctrica del agua es la más alta de un líquido puro (a
18° C è 81,07 Farad/m), lo que significa que las interacciones iónicas en el agua son muy
débiles en comparación con otros disolventes. Esto se debe al hecho de que el agua solvata
los iones con carga a través de interacciones dipolo.
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Propiedades Físicas y Químicas del agua
Su elevada constante dieléctrica
permite la disociación de la mayoría de
las sales inorgánicas en su seno
En cuanto a poder disolvente
Momento dipolar: Cada dipolo tiene un momento dipolar, que se define por μ = qr, donde q
indica la intensidad de la carga y r la distancia entre los dos átomos. El elevado momento dipolar
del agua conduce a una disminución de la atracción entre las partículas de carga opuesta de
soluto y por lo tanto facilita su disolución
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Propiedades Físicas y Químicas del agua
Enlace covalente
ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA
En cuanto a poder disolvente
Propiedades Físicas y Químicas del agua
La tensión superficial se expresa como la fuerza con que las moléculas de la superficie
atraídos el uno al otro (72 dine/cm a 250°C).
En cuanto a poder disolvente
Propiedades Físicas y Químicas del agua
La tensión superficial se expresa como la fuerza con que las moléculas
de la superficie atraídos el uno al otro (72 dine/cm a 250°C).
Disminución de la presión de vapor
Reducción del punto de congelación
Reducción de la tensión superficial
Aumento de la temperatura de ebullición y la presión osmótica
Aumento de la viscosidad
PROPIEDAD COLIGATIVAS
Son propiedades de las soluciones acuosas y sólo dependen de la
cantidad de partículas de soluto presentes
El agua pura nunca se encuentra en los alimentos, pero siempre se encuentra como soluciones más o menos concentradas y por lo tanto tiene las
Agua en los alimentos
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Agua de imbibición de los poros de los
alimentos: es la que se volatiliza
fácilmente, se pierde en el calentamiento,
se congela primero y es responsable de la
actividad de agua (95 %) y está
representada por el agua retenida por las
fuerzas física (tensión superficial), que, en
relación a los solutos disueltos, se congela
a temperaturas más bajas que las del
agua pura. Está disponible para los
microorganismos
Aquella porción de agua de un alimento que
no congela a -20°C (5%). Está fuertemente
unida al alimento por puentes hidrógeno
(con moléculas orgánicas, especialmente
proteínas, y sales) o está físicamente
atrapada en una matriz muy viscosa que no
le permite movilidad ni difusión, y por lo
tanto, no está disponible para los
microorganismos y no es congelable.
AGUA LIGADA (no congelable) AGUA LIBRE (congelable)
Agua en los alimentos
La tasa de deterioro de los alimentos es fuertemente influenciada por el
contenido de agua.
Deterioro de alimentos debido a los microorganismos es rápido, mientras que el deterioro
promovido por reacción química y actividad enzimática se desarrolla más lentamente.
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Attività dell’acqua (aw) e umidità
Wet-weight basis (m) Dry-weight basis (M)
m = mass water
mass of the samples X 100 M =
mass water
mass of the solid
m = mass water
mass of water + solid X 100
El contenido en agua de los alimentos se expresa como
umedad
El conocimiento del valor de humedad por sí solo no es suficiente para predecir la estabilidad de los alimentos. Algunos alimentos son estables a bajo contenido de humedad, otros son estables aún con un contenido de humedad alto: Ex: el aceite de cacahuate se altera cuando su contenido en agua supera el 0,6%.
La vida útil de los alimentos está determinado por la disponibilidad de agua para el
crecimiento de los microorganismos y las reacciones químicos y enzimáticos. Esta
disponibilidad se expresa como la actividad de agua (aw) en los alimentos. 14
Actividad de Agua en los Alimentos
pv = presión de vapor en el alimento (Pa)
P* = presión de vapor del agua pura a la misma temperatura (Pa)
Se define como la relación existente entre la presión de vapor de agua del alimento y la presión de vapor saturado a la misma temperatura:
Altos valores de aw, favorecen el crecimiento de
microorganismos
La actividad de agua de un alimento (aw) será siempre inferior a 1,
ya que la presión de vapor de agua en un alimento es siempre menor
que la del agua pura (aw= 1). Esto se debe a que las moléculas del
soluto dificultan la evaporación de las moléculas del disolvente y,
probablemente, su reactividad química.
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f
* P
p a v
w = =
f *
RELACION entre la actividad de agua (aw) y la humedad (M)
aw
= M(1-aw) M1C
1
M1C
(C -1) aw +
M = proporción de agua sobre extracto seco (g H2O /100g de extracto seco - dry-weight)
M1 = contenido en H2O (g H2O /100g de extracto seco ) de una capa monomolecular (BET monolayer value)
C = costante
Ecuación de BET (Brunauer-Emmett-Teller)
BET monolayer value = cantidad de agua unida a sitios específicos, tales como los grupos hidroxilo de los polisacáridos, y los grupos amino y carbonilo de las proteínas.
El contenido de agua con el que el alimento posee la máxima estabilidad
Sin embargo, cuando el contenido de agua es inferior al BET, se incrementa
el grado de oxidación de los lípidos.
representa
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ISOTERMAS DE SORCION DE LOS ALIMENTOS
Cada punto de la
ordenada
indica el
contenido de
agua sobre
extracto seco (g
H2O /100g de
extracto seco -
dry-weight)
Cada punto de la abscisa indica el actividad de agua en los alimentos
para una temperatura dada.
ISOTERMA DE DESORCION
ISOTERMA DI
ADSORCION
Permiten vincular la actividad de agua de un alimento con su contenido de humedad
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HISTÉRESIS ISOTERMAS DE SORCION
Es la falta de superponibilidad entre las
isotermas de sorciòn y desorciòn
Típicamente, a cualquier cociente p/po dado, el
contenido de agua de la muestra será mayor durante
las desorción que durante la resorción.
Actividad de desorción Actividad de adsorción
Depende de la naturaleza del alimento, los cambios físicos que experimenta cuando se
quita o añade agua, la temperatura, la velocidad de desorciòn y la cantidad de agua
eliminada durante la desorciòn.
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ISOTERMAS DE SORCION
PARTE A – AGUA RETENIDA EN LA MONOCAPA: es muy estable , no congelable, ni eliminable por
deshidratación. Esta agua está fijada a los grupos polares de algunos compuestos como grupos NH3+ y COO- de
las proteínas y a los grupos OH- de los almidones. Esta sección también incluye el agua de cristalización de las
sales y de los azúcares. Se trata de agua fuertemente ligada (1-15 Kcal/mol) que es muy dificl de eliminar y no es
disponible como reactivo y solvente. (Aw 0-0.2)
PARTE B – AGUA DEBILMENTE LIGADA: corresponde a a las capas de agua suplementarias o capas
multimoleculares con enlaces de hidrógeno de menor energia que representa el agua libre en la que se encuentra
también disueltos los diversos compuestos solubles. Es disponible como reactivo y solvente. (Aw 0.2-0.5-0.6)
PARTE C – AGUA LIBRE: agua
retenida en la estructura capilar o en
la células de un alimento. Esta agua
se encuentra atrapada
mecánicamente y retenida solamente
por fuerzas débiles, por lo que se
elimina fácilmente por deshidratación
y se congela con facuilidad. El agua
libre está disponible para la actividad
enzimática y el crecimiento
microbiano. (Aw >0.6)
20
IMPORTANCIA DE ISOTERMAS DE SORCION EN TECNOLOGIA DE LOS ALIMENTOS
La isoterma de adsorción representa la cinética con la que un alimento adsorbe humedad y se hidrata es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidratados almanecados en atmósfera húmedas.
La isoterma de desorción equivale al proceso de deshidratación y refleja la forma como pierde agua
Con base en ambas curvas se diseñan los sistemas de:
• almacenamiento
• secado
• rehidratación
Se puede determinar el tiempo de vita útil de un producto
ej. estudiar el tiempo medio de almacenamiento de un
producto en un supermercado
Prever la influencia de las variaciones de humedad relativa
ambiente sobre el contenido de agua de un producto no
protegido, indicando así la higroscopicidad del producto
21
ALIMENTO HUMEDAD (%) ACTIVIDAD DEL AGUA
Hielo 100 1.00
Carne fresca 70 0.98
Pan 40 0.96
Marmelada 35 0.86
Harina de Trigo 14.5 0.72
Pasta seca 10 0.45
Cacao en polvo --- 0.40
Galletas 5.0 0.20
Leche en polvo 3.5 0.11
Papas fritas 1.5 0.08
Actividad del agua (aw) y humedad (M) de algunos alimentos
Requieren un envase
que evita la pérdida de
agua
Grado de protección
No requieren de
embalaje
Requieren un envase
que evita la absorción
de agua
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0,1 0,4 0,3 0,2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Aw
Oxidación de lípidos
Pardeamiento no
enzimático
Actividad
enzimática
Crecimiento de :
mohos
levaduras
bacterias
Velo
cid
ad
es r
ela
tivas d
e
alt
era
ció
n d
e a
lim
en
tos
ACTIVIDAD DE AGUA Y REACCIONES
DE DETERIORO
23
ACTIVIDAD DE AGUA Y VELOCIDAD DE OXIDACIÓN DE LÍPIDOS
0,1 0,4 0,3 0,2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Aw
Ve
loc
ida
d d
e r
ea
ció
n
La oxidación de los lípidos o rancidez se observa incluso con actividad por debajo de la monocapa (BET).
Es el resultado de reacciones de los radicales entre el oxígeno y los ácidos grasos libres, lo que resulta en la
producción de sustancias volátiles de olor desagradable y de sustancias tóxicas.
Por actividad por debajo del BET (0,1-0,2) la velocidad de reacción disminuye debido a que el agua
presente en las interfaces se fijan en los peróxidos de lípidos por enlaces de hidrógeno y por lo tanto
disminuye la descomposición de los peróxidos.
Para actividad de más de 0,2 y menos de 0.4-0.5, el aumento del contenido de agua mejora la acción de
antioxidantes, porque se solubilizan más y pueden contrastar las reacciones de oxidación. Por valore mas
elevado de 0,5, la velocidad de la reacción de oxidación se incrementa de nuevo. Esto se debe a que los
metales pueden difundir con mayor facilidad hasta los centros de reacción y catalizar la reacción de
oxidación.
24
ACTIVIDAD AGUA Y PARDEAMIENTO NO ENZIMÁTICO
0,1 0,4 0,3 0,2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Aw
Ve
loc
ida
d d
e r
ea
ció
n
La tasa de pardeamiento no enzimatico aumenta rápidamente el aumento en la actividad de agua cada y
alcanza sus valores máximos con valores de aw entre 0,5 y 0,7. Esto se debe al hecho de que a estos
valores aumenta la disolución y la difusión de sustancias reactivas.
Más allá de 0,7 disminuye la tasa de pardeamiento, por razones aún poco claras dada la complejidad de
las reacciones implicadas. En general, este efecto se atribuye a la dilución de los componentes de los
alimentos. De hecho, en la mayoría de los alimentos, un cambio de aw de 0,6 a 0,75 implica una
duplicación o triplicación del contenido de agua y por lo tanto una disminución de la concentración de
sustancias reactivas.
EL PARDEAMIENTO NO ENZIMATICO ES
LA REACCIÓN ENTRE MOLÉCULAS CON
UN GRUPO AMINO Y OTRAS CON UN
GRUPO CARBONÍLICO (reacción de
Maillard). SE FORMAN COMPUESTOS
COLOREADOS, OSCUROS, CON TEXTURA,
AROMA Y SABOR CARACTERÍSTICOS
ACRILAMIDA
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ACTIVIDAD AGUA Y ACTIVIDAD ENZIMATICA
0,1 0,4 0,3 0,2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Aw
Ve
loc
ida
d d
e r
ea
ció
n
No tenemos actividad enzimática sólo por valores de actividad de agua
correspondiente a la monocapa (BET-monocapa). Esto se debe a que un valor por
debajo de 0,2 reduce la capacidad del sustrato para difundir y reaccionar con el sitio
activo de la enzima.
La actividad enzimática aumenta dramáticamente con el aumento de aw > 0,7.
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ACTIVIDAD AGUA Y CRECIMIENTO DE MOHOS, BACTERIAS, LEVADURAS
0,1 0,4 0,3 0,2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Aw
Ve
loc
ida
d d
e r
ea
ció
n
Crecimiento de :
mohos
levaduras
bacterias
El crecimiento de mohos, levaduras y bacterias se inhibe por actividad inferior a 0,7.
Las bacterias en particular, que incluyen patógenos y las especies tóxicas más comunes, necesitan de
actividad de agua superiores a 0,85-0,90 para multiplicarse. Estas actividades (aw) corresponden ya a un
importante grado de deshidratación de un alimento sólido.
Sin embargo, en la deshidratación de los alimentos también se debe tener en cuenta el hecho de que los
mohos que producen micotoxinas, muestran un crecimiento en aw <0.8.
NIVELES MÍNIMOS DE AW que permiten el
crecimiento (temperatura óptimal)
Mohos Aspergillus chevalieri 0.71
Aspergillus ochraceus 0.78
Aspergillus flavus 0.80
Penicillium verrucosum 0.79
Fusarium moniliforme 0.87
Levaduras Saccharomyces rouxii 0.62
Saccharomyces cerevisiae 0.90
Bactarias Bacillus cereus 0.92
Clostridium botulinum (proteolitico) 0.93
Clostridium botulinum (non proteolitico) 0.97
Escherichia coli 0.93
Salmonella 0.95
Staphylococcus aureus 0.83
El Staphylococcus aureus puede crecer a bajos niveles de aw y por lo tanto, pueden crear problemas en alimentos tales como carnes saladas y quesos.
AW de los alimentos y desarrollo selectivo de la
flora microbiana
aw Alimentos Flora microbiana
> 0.98 Carne fresca
Pescado fresco
Fruta fresca (C. perfringens
Verduras frescas Salmonella)
Conservas vegetales en agua y sal
Conservas de frutas en almíbar ligero (Pseudomonas)
(< 3,5% sal, 26% azucar)
0.93-0.98 Salchichas fermentadas (B. cereus,
Queso maduro C. botulinum,
Pan Salmonella)
Leche evaporada lactobacillus,
Conserva de tomates bacillus y
(10% sal, 50% azucar) micrococcus
aw Alimento Flora microbiana
0.85-0.93 Embutidos secos fermentados S. aureus
Prosciutto crudo (17% sal,
saturación de sacarosa)
Harina Hongos xerófilos
0.6-0,85 Cereales
Pescado salado Halófilas
Avellanas Levaduras osmofilas
Postres
< 0.6 Miel No hay crecimiento,
Hueva y leche en polvo
Tagliatelle
Para Aw <0,6 el alimento comienza a estabilizarse, ya que no hay crecimiento microbiano,
incluso si los organismos siguen vivos. Esto significa que cuando se añade agua a los
alimentos deshidratados, se deben tomar las precauciones necesarias para los alimentos
frescos, porqué los microorganismos supervivientes pueden volver a crecer.
AW de los alimentos y desarrollo selectivo de la
flora microbiana
Mohos que producen
micotoxinas;levaduras y
mohos causan deterioro
sin embargo, siguen vivos
ACTIVIDAD DE AGUA
El aw se puede reducir:
•Redución contenido agua
•Disminución de la disponibilidad de agua a través de la cristalización
(congelación)
•Disminución de la disponibilidad de agua a través de agentes
aglutinantes (ej. azúcar, sal)
EFECTOS DE LA REDUCCIÓN DEL Aw
EN LOS ALIMENTOS COLOR
BOUQUETS Y AROMA
Cambios fisicoquímicos Cambios en pigmentos Pardeamiento enzimático Pardeamiento por rxnes de Maillard
Pérdida de volátiles Oxidación de pigmentos, vitaminas y lípidos
TEXTURA
VALOR NUTRITIVO
Por las tensiones internas, que son provocadas por variaciones localizadas en el contenido de agua, dando lugar a rupturas.
Encostramiento.
Pérdidas durante el proceso de preparación de frutas y hortalizas. Ejm: Vitamina C
