Químicade tos
Alimentos s~ición
Salvador Badui Dergal
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Química de tos
Alimentos
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Química de tos
AlimentosQuinta edición
Salvador Badui Dergal
Director Técnico
Grupo Hérdez, S. A. de C. V.
CAPITULO 3
Dra....
/Datos.decaiaJogación bibliográfica
llADOI Dl':RGAI,, SA!NADOR
Químicadt lm alime.nlflS
Quintaedicl6n
FtiARSON EOUCAClÓN, ...
Contenido
Introducción
Prólogo
Capítulo 1 Agua
Introducción
fuentes de agua para el ser humano
Propiedades del agua
Pu•nt....
vi
•
Capítulo 2. Hidratos de carbono
Introducción
Monosacáridos
MonosaeAri:los más comunes
Aminoaz:Ucares, desoxiazú.cares...
Organizac:ión estructural
Estabmdad de la e$tructura protelnica
Estructura primaria
EstructurasecundaTia
Estructura tercia...
viii
•
Protefnas dela ca.me
Gelatina
Protelnas de p..cado: suriml, hldroHzadosde pescado
Protelnas lácteas
Protelnasvegeta...
Determinación de la oxidación
Evaluación sensorial
Indice de peróxido
Método del~cido tiobarbitúrico
Métododel oxígeno act...
X
•
Vitaminas liposolubles
Vitamina A
Vitamina O
Vitamina E
Vitamina K
Vitaminas hídrosolubles
Tiamina(BJ
Riboftavina (82)...
Betalainas
EslNCtUra
Esllblldad
Hemoplgmentos
EstNcru..
Cotor en carne fresca.
~or de carne curada
Otros pigmentos natural...
xii
•
Capítulo 9 Aditivos
Introducción
Aspectos legales
Conservadores
Ácidobenzoico y benzoatos
kidosórblcoy sorbatos
kldo...
Emulsiones
Nuevas tendencias para elaborar alimentos emulsionados bajos en calorías
Referencias bibliográficas
Capítulo 11...
lCiv
•
Capítulo 12 Leche
Introducción
Composición de la leche
Upldos
lactosa
Protelnas
Erulmos
Vitaminas
Sales y nutriment...
Los OGMscomerciales para la alimentación
RaV!Savr™. el primeralimentoCM
Cultivos CM én el come'l"Cio inte-maciona.1
OCMs e...
xvl
•
e-gla
Redlcd6n de peso
Sistema nervioso
Sistema 6seo
Salud cerebral
Otras funciones de los nutrac&uticos
Allmentos f...
Introducción
L
a ciencia de los alimentos es un área mutidisciplinaria, integrada por la química, la
biología, la microbio...
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Prólogo
A
partir del 2006, año de la última edición de este texto, seha generado mucha informa.
ción científica y tecnológ...
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Salvador Badui Dergal
Agua
Introducción
J
unto con Jos hidratos de carbono, las proteínas y Jos lípidos, el agua es uno de...
•
Oulmica de losalimentos
CUADRO U Contenido aproximado de agua de algunos alimentos"
leche entera en polvo 2.5 Papa 79.9
...
Agua
enzimáticas, como el crecimiento microbiano. Sus propiedades ñsicoquímicas en los tres
estados ñsicos que asume -liqu...
6
•
Oulmica de losalimentos
9Propiedades del agua
Su molécula está constituida por dos átomos de hidrógeno unidos en forma...
Agua
En el agua existe una diferencia de electronegatividades, debido a que el oxigeno tiene
un gran poder de atracáón por...
8
•
Oulmica de losalimentos
Debido a sus cargas parciales,la molécula de agua tiene dos sitios receptores y dos dona-
dore...
Agua
No lo es. precisamente, por una fuene cohesión interna debida a los puentes de hidró-
geno; de los cuatro hidruros, e...
10
•
Oulmica de losalimentos
guíneo y en la orina, que desempeñan un papel vital para el cuerpo humano. Muchas sales
y com...
Agua
Las moléculas de agua que están en contacto con el aire se componan de manera
distinta de las que no Jo están, ya que...
Figura 1.6 Diagrama de fase; del agua.
!f
E
E
1300
"160
585
4.5
11
Oulmica de los alimentos
111
e
-20 o 65 100 120
'"º -C ...
Agua
120•e en un punro ubicado a 6 000 m {300 x 20) bajo el nivel del mar. Además del efecto de
la presión, Ja temperatura...
Oulmica de losalimentos
en distintas instancias; por ejemplo los vegetales frescos con alta humedad también tienen
sales, ...
Agua
Se deduce que para la misma cantidad de un soluto, el de menor peso molecular pro-
vocará una reducción mayor; puesto...
9Distribución del agua
en los alimentos
Oulmica de losalimentos
Es un hecho que el total del aguacontenida en un alimento ...
Agua
Figura 1.8 Cambios queocurren en Josalimentos en función deJa actividad del agua.
a) oxidación de Jfpidas; b) reaccio...
18
•
Oulmica de losalimentos
Termodinámicamente, la fugacidad es una medida de la tendencia de un liquido a es-
caparse de...
Agua
En la figura 1.9 se aprecia que para un contenido de humedad determinado,la actividad
del agua es menor durante la de...
20
•
Oulmica de losalimentos
CUADR01.3 Porcentaje de humedad de equfübrio a varias humedades relativas
Humedad relativa (%...
Agua
t Actividad del agua y estabilidad
de los alimentos
Los diversos métodos de conservación de alimentos se basan en el ...
Oulmica de losalimentos
En general, mientras más alta sea la Aa y más se acerque a 1.0, mayorserá la inestabili-
dad del a...
Agua
La estabilidad de las vitaminas está influida por la Aa de los alimentos de baja hume-
dad; las hidrosolubles se degr...
Oulmica de losalimentos
(sorbitol, glicerina, manirol y propilenglicol), ácidos (fosfórico, láctico, cítrico, ascórbico y ...
Agua
interacciones y los cristales de hielo modifican la textura en frutas, hortalizas y cárnicos.
La turgencia de los tej...
Oulmica de losalimentos
9Agua potable
El consumo de agua no potable esel origen de muchosproblemas de salud que aquejan a ...
Agua
países como México, donde se deben perforar varios cientos de metros para alcanzarel pre-
ciado líquido. Por estas ra...
Oulmica de losalimentos
Referencias bibliográficas
1.Barbosa-Cánovas, G.V. y Labuza,T.P. 2007. Mlter ActivitiesofFoods Fun...
22.Schmidt, S.]. 2004. Waterand solids mobility in foods. Adv. Food Nutr. Res. 48:1-101.
23.Singh,P.R. y Heldman, D.R. 200...
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Hidratos
de carbono
Introducción
E
n sus orígenes, el término hidratos de carbono (del inglés mrbohy...
Oulmica de losalimentos
Figura2.l Qclo del bióxido de carbonoy fotosíntesis.
801
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Fotosfn...
Hidratos de carbono
de grupos - GIOH integran las terrosas, pentosas y hexosas, razón por la que el grupo alde-
lúdo siemp...
Quimica de los Alimentos 5a Edición. Salvador Badui Dergal
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  1. 1. Químicade tos Alimentos s~ición Salvador Badui Dergal www.freelibros.org
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  3. 3. Química de tos Alimentos www.freelibros.org
  4. 4. www.freelibros.org
  5. 5. Química de tos AlimentosQuinta edición Salvador Badui Dergal Director Técnico Grupo Hérdez, S. A. de C. V. CAPITULO 3 Dra. Amanda G1Uvez Marisca.! Ora. Idalia Flores Argüello Dra. Amella Farrés González Saravia Departamento de Alimentosy Biotecnología Facultad de Quimica Universidad Nacional Autónama de México CAPITULO 5 Dra. Maricarmen Q.uirasco Baruch Departamento de Alimentosy Biotecnología Facultad de Química Univer.;idad Nacional Autónoma de México Dr.Agustín López-Munguía Canales Instituto de Biotecnología Universidad Nacional Autónoma de México CAPITULO 7 Dra. Isabel Guerrero Legarreta Departamento de Biotecnología Universidad Autónoma Metropo~tana Unidad lztapalapa Ora. Eloísa López Hemández División Académica de CienciasAgropecuarias UniversidadJw:írez Autónoma deTubasco Dr. Roberto E. Armenta López Q:ean Nutrition Canada lllrtmouth, Nueva Escocia, Canadá Dra. Raquel García Barrlentos Universidad Politécnica deTlaxcala CAPITUL08 Dra. Edith Ponce Alquídra Dr. Héctor Bernardo Escalona Buendía O?partamento de Biotecnologla Universidad Autónoma Metropolitana Unidad lztapalapa CAPITULO 10 Dr. José Gerardo Montejano Gaitán InstitutoTecnológico yde EstudiosSuperiores de Monterrey Campus Querétaro CAPITULO 11 Dr. Pedro ValleVega Facultad de Química Universidad Nacional Autónama de México CAPfTULo 14 Ora.Amanda Gálvez Mariscal M. en C.Alejandra Barrios Pérez Q.. A. Ana Berenice de la Barrera Avilés Cl!partamento de Alimentos y Biotecnología Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México M. en C. Ma.ría del Rocío Fernández Suárez Programa Universitario de Alimentos Univmidad Nacional Autónoma de México REVISIÓN'IÍCN!CA Ruth Pedroza Islas Coordinación de Ingeniería de Alimentos Departamento de Ingeniería yCiencias Químicas Universidad Iberoamericana PEARSON www.freelibros.org
  6. 6. /Datos.decaiaJogación bibliográfica llADOI Dl':RGAI,, SA!NADOR Químicadt lm alime.nlflS Quintaedicl6n FtiARSON EOUCAClÓN, México, 201 3 ISBN: 978-«rl-32- ISOS-4 Área: Ciencill Formato: 18.S X'23.Scm &lidóo en español !Mección Educatión superior: Editora: Edita<de desarrollo: Supervisor de producción: Gerenciaeditorial educación superior lalinoamérica: QUINTA EDICIÓN, 2012 Nginas; 744 Mario Cootrems GabrielaLópez Ballesteros o-ll1'1il: gabriel1Llopezballesteros@pearson.com BemardinoGutiérrez Hemández José D. Hcmández Garduño MarisadeAnta D.R O 2012 por Pearson Educación de México, S.A. deC.V. Atlacomulco 500.50. piso Industrial Atoto, C.P. 53519 Naucalpan deluárez, Edo. de México Frmail: editorial.univcrsidades@pearsoned.com Cámara Nacional dela lndusuia Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031 Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni panc de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmilirse. por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningiln medio, sea electrónico. mecánico, fotoqufmJco. magnético o elecuoóptico, por fotocopia. grabación o cualquier otro. sin peruliso pcevio porescrito del editor. El préslllmo, alquilero cualquíerotra forma decesiónde usode este ejemplar requerirálllmbién laautorización del editoro de sus repr~entantcs. ISBNVERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-1508-4 ISBN &BOOK: 978-607-32-1509-1 ISBN FrCHAPTER: 978-607-32- 1510-7 lmpreso en México. Prinled in Maleo. 12 3 4 5 6 7 89 o-15 14 13 12 PEARSON www.freelibros.org
  7. 7. Contenido Introducción Prólogo Capítulo 1 Agua Introducción fuentes de agua para el ser humano Propiedades del agua Pu•nt.. d• htdróg•no Propiedades lislcoqulmicas Estados físicos del agua Efecto de los solutos en el agua Distribución del agua en los alimentos Actividad del agua Actividad del agua y estabílídad de los alimentos Alimentos de humedad intermedia Congelamiento de los alimentos Dureza del agua Agua potable Agua en la industria alimentaria Referencias bibliográficas xvii 1 3 3 5 6 7 8 11 14 16 17 21 23 24 25 26 26 28 •V www.freelibros.org
  8. 8. vi • Capítulo 2. Hidratos de carbono Introducción Monosacáridos MonosaeAri:los más comunes Aminoaz:Ucares, desoxiazú.caresy po1ioles Glucósidos Reacciones de oscurecimiento C&ramelización Reacción d~ Maíllard Oligosacáridos Sacarosa Maltosa lactosa Rafinosa. estaquiosay verbascosa Otros oligosacáridos Tecnología de los azúcares Conservación Oistalizaclón Hidratación Poderedulcorante Polisacáridos Celulosa Hemicelulosa Almidón Pectinas Glucógeno Gomas Fructosanas Otros polisacáridos Hidratos de carbono y salud Fibra Referencias bibliográficas Capítulo 3 Proteínas Introducción Aminoácidos Oel gena la protelna Estereoqutmicadelos a-aminoácidos Clasificaciónde los aminoácidos Reactlvidad qu(mica Propiedades ácido-base Péptldos y enlace peptldico Estabiídad y formación del enlace peptldlco Oulmica de losalimentos 31 31 32 36 38 39 45 46 48 SS S6 S9 S9 60 61 61 62 62 62 63 64 65 67 68 78 81 81 88 88 88 89 91 95 95 96 99 102 103 103 104 107 109 www.freelibros.org
  9. 9. Organizac:ión estructural Estabmdad de la e$tructura protelnica Estructura primaria EstructurasecundaTia Estructura terciaria Estructwacuaternaria Detección y cuantificación de aminoácidos. péptldos y prote!nas Reacciones qufmicas de tos grupos funclonalct:S de las protefnas y métodos de tinción OJ.antWicación de protefnas caracterit..ación de protefnas Análisis de los aminoácidos de las protelnas Determinacióndeamino y carboxilo terminalesy secuenciación Desnaturalización Termodinámica de la desnaturali7.ación Oesnatur81i.zación por cambios de temperatura Desnaturalización porcambios de pH Desnaturalización por urea y cloruro de glAnldlnio Desnaturalizacióncon detergentes Desnaturalizaciónconsolventes orgánicos Efecto de1a adiciónde sales en la solubfüdadde las protelnas lnactivación mecánica Proteólisis Modíficaciones químicas Tratamientos térmicos moderados l'(róUsis Racemízacióny ronnación de aminoac.idos modificados Entrecruzamientos Reacciones de &as proteiias conagentes oxidantes Reacciones con nitritos fb!acclones con sulfitos Rl!acciones carboníl amino Formación de acrilamida en altas temperaturas Pérdkia de aminoácidos por tracck>nación Propiedades funcionales de las proteinas Definiciónde funcionalidad y clasificación PropledadH de hidratación Propiedades interfaciales de las proteínas Unión de sabore$ Viscosidad Gelación Propiedades nutrimentales Evaluaciónde lacalidadprote(nica en términos nutrimentates Protelnas de algunos alimentos Proteínas delhuevo Contenido 112 112 114 115 120 123 124 128 130 132 135 136 139 140 142 145 145 146 147 148 151 151 152 152 152 153 156 158 159 160 160 161 163 163 163 166 170 176 178 V9 181 182 184 185 •vii www.freelibros.org
  10. 10. viii • Protefnas dela ca.me Gelatina Protelnas de p..cado: suriml, hldroHzadosde pescado Protelnas lácteas Protelnasvegetales Protelnas edulcorantes Péptidos de importancia en el campo de alimentos Protefnas microbianas Referencias bibliográficas Capitulo 4 Lipidos Introducción Oasíficación Ácidosgrasos Acllgllcéridos Fosfoglicéridos o fosfollpidos Ceras Esteroides Análisis f!slcos y qufmicos Manufactura de grasas y aceites O..gomado Neutralización Decoloración Desodorización Hibemactón Procesos de modificaciónde grasas y aceites Hidrogenación lnterfOterifteaetón Fraccionamiento Sistemas grasos en alimentos Margarina Mantecas vegetales Mant~ma GrasM para alimentos infantiles Helados Mayonesa y adereios SUstítutos de manteca de cacao Freído Deterioro de los ltpidos tipólisis o rancidtt hidrolftica Oxtdadón o randdttt oxidativa Antioxidantes Outmica de losalimentos 188 191 192 193 196 205 206 208 210 223 223 224 225 231 236 237 238 239 242 243 244 244 245 245 245 246 250 253 253 253 255 255 255 256 256 257 257 259 259 260 264 www.freelibros.org
  11. 11. Determinación de la oxidación Evaluación sensorial Indice de peróxido Método del~cido tiobarbitúrico Métododel oxígeno activo Otros métodos Aspectos nutricionales Referencias bibliográficas Capítulo 5 Enzimas Introducción Nomenclatura tas enzimas como catalizadores Especificidad Sitio activo Factores que afectan lavelocidadde las reacciones enzimáticas Electo del pH Electo de la temperatura Efecto dela eoncentración de sustrato Efecto de la actMdad acuosa Electo de otros agentes enlaactividad enzimática Cinética de las reacciones enzimáticas OJantificaclónde la actividad enzimática Uso industrial de las enzimas Revisión de enzimasde importancia en alimentos C.rboh.ldrasas Proteasas Upasas Oxidorreductasas Transferasas lsomerasas Procesos de interés en alimentos con enzimas o células inmovilizadas Análisis qulmico con enzimas Tecnología de ADN recombinante aplicadaa la producción y modificación de enzimas de interés en alimentos Referencias bibliográficas Capitulo 6 Vitaminas y nutrimentos inorgánicos Introducción Contenido de vitaminas en los alimentos Contenido 268 268 269 269 269 269 270 272 275 275 278 279 281 283 285 285 286 289 290 290 292 294 296 299 301 311 316 318 326 329 330 332 333 337 341 341 344 •be www.freelibros.org
  12. 12. X • Vitaminas liposolubles Vitamina A Vitamina O Vitamina E Vitamina K Vitaminas hídrosolubles Tiamina(BJ Riboftavina (82) Vitamina S. Vitamina e,. Biotina Folatos Niacina Ácido pantotén.ico Vitamina e Compuestos asociados a las vitaminas Resumen de la estabfiidad de las vitaminas Nutrimentos inorgánicos o minerales C.lcio Fósforo Hierro Sodio Otros !IMnentos Referencias bibliográficas Capítulo 7 Pigmentos Introducción Pigmentos naturales y sintéticos Pigmentos naturales Pigmentos sinté-ticos carotenoides Estructura y caracteristicasquimicas Carotenoides en alimentos Obtención Estabüidad Usos C&rotenoidM en la salud humana Oorofilas Estructura Efecto delprocesamiento Pigmentos fenóllcos Ravonoides Antocianinas Taninos Oulmica de losalimentos 346 348 349 351 352 354 354 356 359 359 361 361 362 363 364 367 368 371 373 374 374 374 375 376 379 379 380 380 381 382 384 384 387 388 390 390 391 392 394 396 396 399 403 www.freelibros.org
  13. 13. Betalainas EslNCtUra Esllblldad Hemoplgmentos EstNcru.. Cotor en carne fresca. ~or de carne curada Otros pigmentos naturales Olrcuma Ácidoc:aimlnlco OulnoMS Xantonas Color caramelo Gluconato lwm>so Pigmentos de ongenmicrobiano Pigmentosde O<igenmarino Aoterencias bibbográlicas Capitulo 8 Olor y sabor de los alimentos Introducción Gusto CU.to dulce CU.to amargo CU.to 181odo CU.to 6cldo Umaml Fen6menos de percepci6n asodados con los gustos b6Jlcos Modulada<et delgusto Aromas Aspectos flsicoqulmlcos enla percepción del olo< y el sabor Pn>c:esode maslicación Oec10do macromolkulasenla pen:epaondel sabor Microoncapsulación y nanoemut.iones Materialesde empaque Mecanismosde la generación de olores y sabores llloslntesls Ceneract6n de aromas por el efecto de tratamiento t'""leo Precursores y desarrollo del aroma y el sabor en alimentos Come y sus derivados leche y sus derivados Bebidasalcohólicas An41lsis de compuestos de aroma y sabor Elctrcc:l6ndecompuestos delaroma y el sabor ldent~ de compuestosdelaroma y el sabe< Aoferencias bibliogr6flc& Contenido 405 406 406 407 408 409 411 411 411 412 414 414 415 415 415 416 418 429 429 430 432 436 437 438 439 440 440 442 444 444 446 448 450 450 452 469 482 482 483 483 488 489 493 •501 xi www.freelibros.org
  14. 14. xii • Capítulo 9 Aditivos Introducción Aspectos legales Conservadores Ácidobenzoico y benzoatos kidosórblcoy sorbatos kldoacético y acetatos Parabenos kido propiónicoy propionatos Sulfttos y dióxido de azulTe Nitrlos y nitratos Antibióticos Pirocarbonato de dietilo Ep6xidos Otros conservadores Emulsionantes Polioles o potialcoholes Potenciadores del sabor Acidificantes. alcatini:zantesy reguladores de pH Secuestradores o quelantes Edulcorantes Gasificantes para panificación Acondicionadoresde panificación Antiaglomerantes Antiespumantes Colorantes Oarificantes Sustancias para masticar Humectantes Sustitutos de grasas Sabori:zantes Otros aditivos Referencias bibliográficas Capítulo 10 Estado de dispersión Introducción aasilicación de los coloides Estabilidad de tos coloides Soles Propiedadesreo!ógicasde los soles Geles Espumas Oulmica de losalimentos 511 511 513 517 517 518 519 519 519 520 521 522 523 523 524 525 527 529 530 533 534 537 539 540 540 541 544 544 545 545 546 547 548 551 551 553 556 557 558 560 561 www.freelibros.org
  15. 15. Emulsiones Nuevas tendencias para elaborar alimentos emulsionados bajos en calorías Referencias bibliográficas Capítulo 11 Tóxicos presentes en los alimentos Introducción Leguminosas Glucósidoscianogénicos Promotores de flatulencia lnhlbidorM de proteasas como la tripsina Fitohemaglu~nínas Saponinas Favismo Cereales Toxinas producidas porhongos (micotoxinas) Ácido fitlco lnhibidoresde amilasas Bebidas estimulantes Péptidos. protefnas y aminoácidos tóxicos Amatoxina y fa1otoxina lslanditoxina Toxina botulfnlca Toxinas de Stafi.tococcus sp. Selenoaminoá.cidos canavanina Mimosin.a Gosipol capsaicina Solanina y chaconina Sustancias promotoras de bocio Toxinas en mariscos y peces Saxitonlna Tetradoxina Antivitaminas Tóxicos presentes enla miel de abeja Compuestos tóxicosgenerados por proceso Compuestos producidospor altas temperaruras Racemización de aminoácidosy formación de isopéptidos Formación de aminas biógenas Fumigantes y disolventes Comentarlos finales Referencias bibliográficas Contenido 563 567 569 571 571 572 572 574 575 576 576 576 577 577 582 583 583 584 584 585 586 586 586 587 587 588 588 589 590 591 591 592 593 593 595 595 601 602 602 603 606 •xiii www.freelibros.org
  16. 16. lCiv • Capítulo 12 Leche Introducción Composición de la leche Upldos lactosa Protelnas Erulmos Vitaminas Sales y nutrimentos inorgánicos Algunas propiedades físicas y quimicas de la leche Estado de dispersión de la leche Fase micelar Fase lipldica Productos lácteos leche pasteurizada. ultrapasteurizada y esterilizada Quesos Yogur Otros productos lácteos Referencias bibliográficas Capítulo 13 Soya Introducción Proteínas de la soya Formas comerciales de la soya Harinas Concentrados Aislados Propiedades funcionales Modificaciones de las proteinas Factores antifisiológicos Soya y nutrición Mejora genéticade la soya Referencias bibliográficas Capítulo 14 Alimentos transgénicos Introducción lngenieria genética y OGMs e.Cómo seobtiene una plantatransgénica?Una visióngeneral El vector de transformación y sus elementos Principales métodos parala transferenciade genes Oulmica de losalimentos 611 611 612 613 615 617 623 624 625 625 626 626 628 628 629 633 636 636 638 641 641 643 646 646 648 649 651 653 653 654 656 657 661 661 662 662 663 665 www.freelibros.org
  17. 17. Los OGMscomerciales para la alimentación RaV!Savr™. el primeralimentoCM Cultivos CM én el come'l"Cio inte-maciona.1 OCMs en México MicroorganismosGM para produccióndeenzimas auxiiares deproceso PecesCM destinadosa laalimentación OGMs en desarrollo CG.Msde segunda generación MicroorganismosGM para mejorar ta composiciónnutrimental de los alimentos y/o SU$cualidades organolépticas CGMsde tercera generación Animales domésticosCM Análisis de riesgos y marco regulatorio Análisis de riesgos aplicadosa OGMs EvaJuación de la inocuidad delos atirnentos transgénicos Marco reguhnorto enmateria de bioseguridad. El caso de México Métodos de detección de OCMs en alimentos El enfoquedelas proteinas El enfoquedel ADN Conclusiones Referencias bibliográficas Capitulo 15 Nutracéuticos, fitoquímicos y alimentos funcionales Introducción Oxidación celular Nutracéutlcos Fitoquimicos Carotenoides l'olifenoles OeñvadosazuITados Fltoesteroles Otros nutracéutícos Ptobl6ticos y prebl6tteos Arninoéddos y prote1nas Hidratos de carbono Upidos Vitaminas y minerales Resumen de su función biológica Antioxidantes Saludcardiovascular Anticance~geno Diabetes Contenido 669 669 670 674 675 676 677 677 682 682 683 684 684 686 688 688 689 691 694 696 701 701 702 702 703 704 704 705 706 706 706 707 707 708 708 708 709 709 709 709 •XV www.freelibros.org
  18. 18. xvl • e-gla Redlcd6n de peso Sistema nervioso Sistema 6seo Salud cerebral Otras funciones de los nutrac&uticos Allmentos funcionales Referencias bíbliogré.licas Índice Q.ifmica delos aumentos 710 710 711 711 711 711 712 713 717 www.freelibros.org
  19. 19. Introducción L a ciencia de los alimentos es un área mutidisciplinaria, integrada por la química, la biología, la microbiología y la ingeniería, que en las últimas décadas ha cobrado gran relevancia. Para el estudio de los alimentos a lo largo de toda la cadena alimentaria, es decir, desde la producción primaria, su procesamiento, conservación, preparación y puesta del producto final en la mesa del comensal, se requiere de importantes conocimientos sobre química. Los ingenieros, los químicos, los bioquímicos, los chefs y, en general, roda profesio· nal dedicado a esta actividad debe conocer estos principios. Tudas los alimentos están constituidos por distintas proporciones de agua, hidratos de carbono, proteinas, lípidos, enzimas, vitaminas, minerales, pigmentos, sabores, aromas y di- versos agentes bioactivos; las interacciones fisicas y químicas queocurren entre ellos. y con el medio ambiente que los rodea, determinan la calidad de los cinco atriburos quese buscan al consumir un producto: color, sabor, textura, valor nutritivo y seguridad o inocuidad. cada uno de los componentes delos alimentos óene una reactividad que es importante conocer; en algunos casos, ésta se refleja muy positivamente al hacer comestible un grano duro de cereal o de leguminosa; en otros, lo notamos por un color indeseable, como en los aguacates o en los plfltanos, o porel endurecimiento de la came; y en algunos mils,se refleja en la síntesis de compuestos con potencia1tóxico. En los últimos años se ha acrecentado considerablemente el cúmulo de conocimientos e investigaciones sobre la química de los alimentos, de tal forma que en la actualidad pode- mos encontrar profesionales muy especializados dedicados al estudio de cada uno de estos componentes. No hay duda que seseguirá generando información muy valiosa sobre la quí.mica de los alimentos, la cual incluiremos en lassiguientes ediciones de este libro. •xvii www.freelibros.org
  20. 20. www.freelibros.org
  21. 21. Prólogo A partir del 2006, año de la última edición de este texto, seha generado mucha informa. ción científica y tecnológica sobre la ciencia de los alimentos, incluyendo, obviamen- te, la química. De hecho, muchos delos conceptos que en ese momento aparecían por primera vez, ahora son muy comunes. La nanotecnología, los fitoquírnicos, los nutracéuti- cos, la proteómica, la nutrigenómica, la gastronomía molecular, y muchos otros, son ahora términos de uso general; de igual forma, han surgido muchos aditivos con aplicaciones más novedosas. La estructura de esta nueva edición se mantiene, pero hemos revisado con detalle yac- tualizado el conocimiento que teníamos de cada uno de los componentes de los alimentos: agua, hidratos de carbono, proteínas, lipidos, enzimas, vitaminas, minerales, pigmentos, y los responsables del sabory aroma. Lo mismo hicimos con los capítulos sobre aditivos, el estado de dispersión y el de los tóxicos. La leche y la soya se conservan como ejemplos de aplica- ción de los conceptos explicados en otras secciones del libro. La ingenietia genética sigue su avance espectacular, razón porla cual enriquecimos la sección sobre alimentos rransgénicos. Finalmente, y debido a la gran relevancia que ha adquirido en los últimos años, inclui- mos un capítulo nuevo, sobre fitoquírnicos y nutracéuticos, muchos de los cuales siguen en estudio causando grandes controversias. •1 www.freelibros.org
  22. 22. www.freelibros.org
  23. 23. Salvador Badui Dergal Agua Introducción J unto con Jos hidratos de carbono, las proteínas y Jos lípidos, el agua es uno de los cua- tro macrocomponentes que integran todos los alimentos que el hombre consume. En algunos casos representa 95.2% (v. gr. pepino) y en otros sólo 2.5% Qeche en polvo) del producto comesnble, como muestra el cuadro 1.1; en la sal yel azúcarde mesa el contenido de agua es prácticamente cero. La frescura de las frutas, de las verduras y de Jos cárnicos siempre se relaciona con su alta proporción de agua que, en la mayoría de los casos, es al menos de 60%; de igual manera, Jos microorganismos -bacterias, bongos y levaduras- la contienen eo un porcentaje muy elevado. •3 www.freelibros.org
  24. 24. • Oulmica de losalimentos CUADRO U Contenido aproximado de agua de algunos alimentos" leche entera en polvo 2.5 Papa 79.9 Chicharrón 2.6 Guayaba 80.5 Maíz blanco 10.6 Olabacano 85.0 F'Iijol negro 12.0 Papaya 87.1 Bolillo 25.0 Zanahoria 88.0 'lbnilla 53.8 Br6coli 88.1 Jamón 55.3 Naranja Uugo) 88.5 Masa para tonilla 62.2 Cebolla blanca 88.6 QJeso fresco 62.7 T..eche 89.2 carne de cerdo 65.0 Fresa 89.7 ~acate 69.5 Nopal 90.1 camede res 71.6 Olile jalapeño 90.3 Aátano 73.2 Sandía 90.9 Lecheevaporada 74.0 Jitomate 92.8 Huevo 74.3 Lechuga romana 94.3 Mojana 78.7 Pepino 95.2 El agua es fundamental para cualquier forma de vida biológicamente activa, sea una bacteria, el ser humano o un elefante; su importancia es tal que sin ella la vida en nuestro planeta no sería posible. Sin embargo, con frecuencia no se le considera un nutrimento, como sf ocurre con los hidratos de carbono, las proteínas y los lípidos, debido a que prácticamente no sufre cambios químicos durante su aprovechamiento en el organismo humano. Desempeña un gran número de funciones biológicas a partir de su capacidad para trans- portarsustancias, disolverotrasy mantenerlas tanto en solución como en suspensión coloi- dal, además de su reactividad química alintervenir en reacciones enzimáticas de hidrólisis y, sobre todo, en la fotosíntesis; es decir, participa activamente en la síntesis de glucosa a partir de co,. monosacárido vital para la vida y que a su vez da origen a polisacáridos, pro- teínas, etcétera.' luz solar C02 +H20 glucosa Muchas macromoléculas de interés biológico, como las enzimas y los ácidos nucle.icos, se vuelven activas sólo cuando adquieren sus correspondientes estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, gracias a la interacción que establecen con el agua. Lo anterior significa que las células animales y vegetales, así como los microorganismos, sólo se de- sarrollan si encuentran las condiciones adecuadas en un medio en el que la actividad del agua es fundamenta!.• El agua influye en las propiedades de los alimentos yéstos, a su vez, con sus componen- tes influyen en las propiedades fisicas y químicas del agua, como se explica más adelante.•• la consistencia, textura y otras caracteristicas reológjcas de los alimentos están determina- das por la interacción entre el agua y los macrocomponentes; además, esto también reper- cute en su estabilidad química y microbiológica. El agua es decisiva en todos los procedimientos de conservación de los alimentos, en- tre ellos la concentración, la deshidratación, el congelamiento, la liofilización, el salado, el azucarado y la pasteurizaáón por alta presión;' de hecho, estos sistemas consisten preá- 4 samente en regular la actividad del agua para controlar tanto las reacciones químicas y www.freelibros.org
  25. 25. Agua enzimáticas, como el crecimiento microbiano. Sus propiedades ñsicoquímicas en los tres estados ñsicos que asume -liquido, sólido y vapor- tales como calor de vaporización, el calor espeáfico y el punto de congelación,entre otros, se deben tomaren cuenta en el diseño de todos estossistemas de conservación." t Fuentes de agua para el ser humano Entre 60 y 70% del cuerpo humano de un adulto es agua y puede llegar hasta el 75% en los recién nacidos, aunque ciertos tejidos como huesos, cabellos y clientes la contienen escasa- mente. Es un disolvente líquido inerte, de pH neutro, que sirve de transporte en la sangre y la linfa y que regula la temperatura corporal; el organismo de un adulto requiere un mínimo aprox.imado de 2 500 mL diarios (según la edad, el sexo, la actividad física, etc.) y la pierde continuamente por el sudor, la orina, la espiración y las heces. El balance hidrico entre lo que pierde ylo queingiere, es fundamental para el buen funcionamiento de su organismo; la insolación o la diarrea causan una pérdida elevada de líquidos que, en caso de alcanzar 10% del total, puede causarle problemas muy serios. El vaporquese elimina porla espiración de- pende también de la altitud del lugar; as(, en el área metropolitana de la Ciudad de México (2 260metrossobre el nivel del mar) se respira más seguido que en la costa porque el oxígeno es más escaso y en consecuencia se incrementala pérdida de agua; además,a menor presión atmosférica el aire es seco y el agua se evapora más fácilmente por los poros de la pieL El hombre puede vivir un mes sin alimentos, pero no más de siete ellas sin agua. Para tener un adecuado balance se recomienda consumir 1 mL por cada kilocalotia (!<cal); es decir, para una dieta de 2 500 Kcal diarias para un adulto se requieren 2.5 litros (L) de agua al día (cuadro 1.2). La fuente más importante es la ingesta de líquidos pero también diferentes alimentos, como los vegetales que contienen en general más de 80"/o de agua; la leche, que tiene 87%; loshuevos, con 74%, y el pan, que contiene aproximadamente 40% y es uno de los alimentos que más se consumen. Otra fuente, de menor importancia, se origina en el propio cuerpo debido a reacciones metabólicas: la oxidación de una molécula de glucosa genera seis de H,O, que equivalen a 0.6 g por gramo de monosacárido: C,.H,,o, + 602 -+ 6C02 + 6H20. Además de los hidratos de carbono, también se obtienen 1.1 gy 0.4 gde agua porgramo de lípido y de proteína, respec- tivamente. Una dieta cuya oxidación de nutrimentos produzca 2 500 Kcal por día, generaré 350 m1 de agua. CllADROU Balance de agua para un adulto con un consumo de 2 500 Kcal Agua ingerida Fuente Agua perdida Medio (mLfclla) tnl-fclla) 850 Alimentos 1400 Orina 1300 Bebidas 400 Pulmones 350 Oxidación de nutrimentos 500 Piel 200 Heces 2500 2 500 •5 www.freelibros.org
  26. 26. 6 • Oulmica de losalimentos 9Propiedades del agua Su molécula está constituida por dos átomos de hidrógeno unidos en forma covalente a uno de oxígeno, es altamente polar, no es lineal ycrea estructuras tridimensionales debido a la hi- bridación de las órbitas moleculares s ypdel oxígeno; las lsdel hidrógeno comparten dos elec- ttones con lashíbridas sp'del oxígeno.A su vez, este elemento tiene un parde electrones libres considerados comodos fuerzas separadas que, juntocon los dos enlaces covalentes, establece una molécula con forma imaginaria de tetraedro"' (figura 1.1). Se observa que los radios de Van derwaals del hidrógeno y del oxígeno son de 0.12 nm (1.2 A) y 0.14 nm, respectivamente: que la longituddel enlace covalente es de 0.096 nm y que el ángulo formado es de 104.5°. Figura 1.1 Representación esquemática de la molécula de agua:o) y b)estruc:tura retraédrica imaginaria formada porlas órbitassp1 del o.>Clgeno;e) dimensiones de la molécula de agua. 6(-) 3(+) •) 6(+ cirecclón delmomentodlpolar 6(-) '' '/ ' '' '' '' '' ' ' '' '/ ' ',/ , ' '' '/ / ' ' b} '''''' www.freelibros.org
  27. 27. Agua En el agua existe una diferencia de electronegatividades, debido a que el oxigeno tiene un gran poder de atracáón por los electrones de los doshidrógenos, lo que ocasiona que és- tos desarrollen una carga parcial positiva6(+)temporal y que el átomo de oxígeno desarrolle una carga parcial doble negativa 2 8(-) temporal; esto hace que se produzca un momento dipolar muy fuerte, como un mini imán, cuya direcáón se observa en la figura 1.1. Es decir, esta molécula no tiene una carga especifica, pero si un dipolo eléctrico poteme que le per- mite crear puentes de hidrógeno estables con otras moléculas iguales o diferentes, pero de naturaleza polar. El momento dipolar que se establece se observa como una orientación de la molécula en un campo eléctrico con Ja parte negativa haáa elánodo y Ja positiva hacia el cátodo."' Puentes de hidrógeno El puente de hidrógeno no es propiamente un enlace químico, sino una atracción electrostá- tica que se produce cuando dos átomos negativos de compuestos polares se unen mediante uno de hidrógeno, de tal manera que sólo participan los elementos más electronegativos, como el oxígeno (figura 1.2), aun cuando también interviene el nitrógeno y otros. Esta atrac- áón electrostática es muy débil (20kJ/mol o 4.7 Kcal/mol), comparada con el enlace covalen- te (400kJ/molo 95 Kcal/mol), y su vida media es de 10· 11 segundos; sin embargo, como todas las moléculas de agua tienen Ja capacidad de establecerla en un momento específico, en conjunto representan una gran fuerza.Tuoto el número de estas uniones como la longitud del puente de hidrogeno entre moléculas vecinas (v. gr. 0.276 nm o 2.76 A.en la figura 1.2a) se ve afectado por la temperatura; esto se refleja, por ejemplo, en la densidad del agua que se incrementa a medida que interacáonan más moléculas a una menor distancia y alcanza un máximo a 3.98 ºC. Figura 12 PUentesde hidrógeno entremoléculasde agua: a) las moléculas 1, 2 yla central sehallan en el plano del papel; la 3 está porencima de él y la 4 detrásdel plano; b) interacción de moléculasde agua a travésde puentes de hidrógeno, y e)laspuentesde hidrogenoentre moléculas de agua producen una estructura imaginaria tetraédrica con el oxígenoal centro. molécula de $QUB { •7 www.freelibros.org
  28. 28. 8 • Oulmica de losalimentos Debido a sus cargas parciales,la molécula de agua tiene dos sitios receptores y dos dona- dores de electrones, por lo que su interacción mediante puentes de hidrógeno crea grandes estructuras tridimensionales estables en el hielo y en el agua liquida, responsables de sus propiedades físicas tan peculiares que se explican m~ adelante. Las moléculas como NH,, que no tienen igual número de receptores y de donadores (1 y 3, respectivamente), sólo for· man estructuras bidimensionales y no tridimensionales. Cabe señalarque los puentes de hidrógeno no sólo se inducen en el agua, sino en cual- quiersustancia que tenga caracteristicas polares, como las proteínas y Jos hidratos de carbo- no,gracias a sus diversos grupos hidrófilos (figura 1.3). Mediante este mecanismo, los políme- ros y algunos compuestos de bajo peso molecular retienen agua y le confieren a los alimentos propiedades reológicas muy especiales.Con base en esto, el agua de los tejidos vegetal y ani· malse retiene (se hidratan), Jo que se manifiesta en su frescura y crujenc:ia; Jos soles, los geles y otras texturas similares (vea el capítulo 10) se crean por las interacciones que establecen los macrocomponentes de los alimentos con el agua. Las temperaturas bajas favorecen la formación de puentes de hidrógeno, mientras que las altas los destruyen; por esta razón, de manera simplificada se considera que en el hielo 100% de las moléculas establecen puentes de hidrógeno, y que en el vapor este porcentaje es cero. La función biológica del hombre se efectúa alrededor de los 37 •e, temperarura en Ja que se produce de 35-45% de los puentes de hidrógeno; por lo tanto, hay relación entre la estructura del agua en estas condiciones y la facilidad para que se lleven a cabo las reaccio- nes que sustentan la vida. .:>Propiedades fisicoqu{mícas Debido a la formación de estructuras tridimensionales mediante puentes de hidrógeno, el agua muestra propiedades que resaltan al compararlas con hidruros del mismo grupo de la tabla periódica a la que pertenece el oxígeno. Por ejemplo, H20, H,S, H2Se y H2Te tienen puntos de ebullición de 100, -61, -42 y -2 (ºC), respectivamente; el agua con el menorpesomolecularpresenta valores depuntosde fusión y ebullición queno correspon- den a la serie,y que son superiores a Jos del resto del grupo. Si se siguiera una relación ma- temática de acuerdo con los pesos moleculares, el agua tendria que fundir a -150 •e y hervir a -80 •e,porlo que en las condiciones ambientales normales siempre seria un gas. Figura 1.3 Formación de puentesde hidrógeno con hidratos de carbono, protelnas y ácidos grasos. 1hidratos de carbono 1 1( roteinas 1 1 1ácidos!grasos 1 1 1 e o s NH Cs O 11 1 1 1 1 9 l;t l;t l;t OH ..H 1º o o o / / / jo H H H H H H "H www.freelibros.org
  29. 29. Agua No lo es. precisamente, por una fuene cohesión interna debida a los puentes de hidró- geno; de los cuatro hidruros, el del oxígeno es el únko que se encuentra en estado li- quido a la temperatura en que se desarrolla la vida en nuestro planeta (10-50 •c. aproximadamente). Sus propiedades fisicoqulmicas como el calor de vaporización, el calorespecifico, la con- ductividad, las propiedades dieléctricas, etc.,son pormucho muypeculiares y muy distintas a las de moléculas semejantes. Por ejemplo, su elevado calor latente de vaporización (2 260 k)/g o 539 Kcal/g), repre- senta la energía necesaria para transformar 1kg de agua liquida en vapor a 100 •e y la que se requiere para romper las fuerzas atractivas, de tal manera que las moléculas individual· mente puedan escapary pasar a la fase gaseosa.Para comparar yentender mejor este valor. cabe señalar que el metano], el etanol, la acetona y el cloroformo (todos ellos disolventes orgánicos comunes), presentan calores de vaporización inferiores: 263, 205, 125 y 59 Kcal/g, respectivamente. El alto valor indica que se necesita mucha energia para vaporizar un poco de agua (como en Ja concentración y deshidratación de alimentos), o que la vaporización de pequeñas cantidades de ella es suficiente para sustraer mucho calor, Jo que explica por qué la vaporización delsudores responsable de la mayor parre del calor perdido por un organis- mo que sirve de mecanismo de enfriamiento. El proceso inverso al de la evaporación, la condensación, es exotérmico y líbera una can- tidad semejante de calor, característica que se aprovecha para calentar los alimentos en los procesos de esterilización de enlatados. Porotra parre, es necesario disipar 333.7 k,J/go 79.7 KcaVg (calorlatente de fusión). para cambiar el agua líquida a hielo a O•e;esta propiedad se hace patente cuando se enfrían las bebidas con hielo, ya que a medida que éste se funde, sustrae mucha cantidad de energía del líquido. Como vapor, el agua sigue la ley de los gases ideales, PV • nRT(P, presión; v; volumen, n, número de moléculas, R, constante y T. temperatura), que muestra la relación de la presión y la temperatura; una aplicación de este principio es con el enlatado de los alimentos no ácidos, cuyo calentamiento externo causa que la presión interna se incremente y. en conse- cuencia, su temperatura alcance la esterilización comercial a 121 •e (250 ºF). Su alto calor específico (4.186 k]/g ºK o 1 caVg ºCa 20 ºC) indica que se requiere aplicar mucha energía para incrementar su temperatura.ya que una buena proporción se consume en vibrar la molécula debido a su gran momento dipolar ya romperlos puentes dehidróge- no, pero no a calentarla. cuando se suministra energía térmica a los líquidos en los que no existen puentes de hidrógeno, la cinética de las moléculas aumenta fácilmente y, portanto, la temperatura. Por esta razón, el agua es menos efectiva como medio de calentamiento que los aceites de cocina, que además de tener un calor específico menor de 1.97 kJ/g 'K o 0.47 Kcal/g •e, pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100•e (necesarias para el freído), que es la máxima que se alcanza con el agua líquida a presión atmosférica. Otra implicación del alto valor de este parámetro se da en la regulación de la temperatura del cuerpo humano, ya que provoca que el agua absorba el calor cuando hay cambios bruscos externos, sin afectar la temperatura interna; en forrna semejante, tambjén es la causa de que los mares y océanos actúen como reguladores térmicos del planeta. Su gran dipolo es fundamental para calentar Jos alimentos en horno de microondas (915·2 450 MHz), ya que al producir una oscilación y fricción permanente en las moléculas, se induce un aumento de la temperatura. La ionización del agua pura es mínima, pero influye en la formación del H,o• causada por la adición de ácidos, lo que a su vez repercute en la reducción del pH de la solución. Como disolvente, el agua tiene infinidad de aplicaciones en la naturaleza (existen diso· luciones como océanos, mares, lagos, ños, etc.), igual que en los alimentos, en el plasma san· •9 www.freelibros.org
  30. 30. 10 • Oulmica de losalimentos guíneo y en la orina, que desempeñan un papel vital para el cuerpo humano. Muchas sales y compuestos iónicos y no iónicos sólo se solubili2an en agua y nunca en disolventes apo- Jares (cloroformo, benceno, etc.) o en grasas. Los cristales de NaCl son estables por las fuertes atracciones eleetrostáticas entre sus iones positivo y negativo; mientras más fuerte sea la unión, más energfa se requerirá para la separación. El agua es capaz de disolver estos cristales debido a la intensa fuerza que se crea entre su dipolo y los iones de sodio y cloro, lo que provoca la producción de Na• y el_ altamente hidratados; esa interrelación es mayor que la tendencia a Ja unión de Jos dos io- nes para restablecer Ja sal (figura 1.4). Esta hidratación depende de la densidad de carga, que es igual a la carga total dividida entre el radio iónico; para una misma carga, la retención de agua es mayor en los iones pequeños que en Jos grandes; la hidratación del K• es menorque Ja del Na•, ya que el radio del primero es mayor y, en consecuencia, su densidad de carga es menor. Es precisamente Ja gran capacidad de hidratación del sodio la causante de Jos problemas de hipertensión que provoca el consumo excesivo de sal (vea el capítulo 6). El agua es un buen disolvente debido a su alta constante dieléctrica, D, que por defini- ción es una medida de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas electrostáticas de atracción Fentre iones con carga opuesta: F=e,e, Dr' dondee,y e,son Jos iones yres la distancia entre ellos.Elvalor Dpara elagua esmuyalto(80a 20 'C),comparadocon elde otrosdisolventes: metano!,33; etanol,24; acetona,21; benceno, 2, e indica que la fuerza de atracción entre Na• y c1- es solamente de 1/4-0 de la que existe con el benceno; por lo tanto, el agua favorece la disolución de la sal, pues evita que sus compo- nentes se unan nuevamente, mientras que el benceno facilita su asociación. El agua también disuelve sustancias no iónicas con carácter polar como azúcares, alco- holes, aldehídos, cetonas,aminoácidos, etc., que contienen grupos carbonilo, amino, hidroxilo o carboxilo que fácilmente interaccionan con ella porpuentes de hidrógeno. Este mecanismo es el mismo que opera cuando se establecen dispersiones acuosas de polisacáridos,proteínas y otros polímeros, los cuales no producen soluciones verdaderas, sino suspensiones coloida- les estabilizadas en el agua con esas uniones (figura 1.3). Cabe indicar que la disolución se efectúa cuando la concentración del agua es superior a la del soluto; sin embargo, cuando ésta es baja las sustancias no se disuelven, sólo se hi- dratan y forman fluidos muy viscosos o incluso geles, en los que el l!quido queda retenido mmbién por puentes de hidrógeno en una red tridimensional (vea el capítulo 10). Figura 1.4 Hidratacióndel cloruro desodio (NaQ). .. e {;:: o- v ·...H+/ "-w .. ..·· www.freelibros.org
  31. 31. Agua Las moléculas de agua que están en contacto con el aire se componan de manera distinta de las que no Jo están, ya que actúan como una película elástica sobre Ja que un insecto puede posarse en Ja superficie sin hundirse; esto es resultado de las fuerzas inter- nas entre moléculas y se refleja en el fenómeno de tensión superficial. En la figura 1.5 se observa que mientras las moléculas internas interaetúan de forma homogénea entre ellas, las que están en contacto con el aire sólo tienden puentes de hidrógeno hacia el interior (el agua), y no hacia el exterior (el aire). Este comportamiento dificulta la humectación de polvos, ya que hay que venceruna alta tensión superficial de lainterfase agua/aire de 73 di- nas/cm, a 20 •c. Para formar nuevas superficies de interacción agua-partícula sólida, como en la hidratación, se recurre a los agentes tensoactivos, como en el caso de los aderezos y otras emulsiones, o al suministro de energía mecánica (agitación, homogeneización), para formar dispersiones coloidales estables. De igual manera, el café y el té reducen Ja tensión superficial del agua y provocan que al hervirla se formen burbujas que incluso se derraman del recipiente. t Estados físicos del agua Como vimos antes, el agua existe en forma de vapor, de liquido o de sólido, dependiendo de Ja cantidad de puentes de hidrógeno que establezca internamente; la interrelación que se presenta entre estos tres estados fisicos de Ja materiase muestra en el diagrama de fases de la figura 1.6 y que dependen de la temperatura y la presión. Figura 1.5 Representación esquemática de la interacción agua-aire, las flechas indican los puentes de hidrógeno. aire /interfase ···········~··~·········· agua •11 www.freelibros.org
  32. 32. Figura 1.6 Diagrama de fase; del agua. !f E E 1300 "160 585 4.5 11 Oulmica de los alimentos 111 e -20 o 65 100 120 '"º -C lemnaratura92.8 ~ a: ponotj>le (0.01 , 4.5) b: evaporación al vacloparafabricar mennelada.$ (65, 470) e: ebullición del agua en la Ciudadde México (92.B, 585) d: ellollk:ión del agua a meldel mar (100, 760) e: olla a presión yesteñlización industrial (120, 1,300) f: uttrapastauñzaci6n da la leche (140, > 1,300) ~: ruta da la lloliltzaclón Se observa que las curvas 1, 11y111 delimitan cada uno de estos estados y que se cruzan en el llamado punto triple que se alcanza a 0.01 •e y 4.5 mm Hg, donde teóricamente con- viven el hielo, el agua liquida y el vapor. A760 mm Hg de presión, que corresponden al nivel del mar, el agua hierve a 100 'C, mientras que a 585 mm Hg, que es la presión de la Ciudad de México por encontrarse a poco más de 2 200 msnm, hierve a 92.8 ºC. El agua liquida se evapora, es decir, cruza la curva 11 de izquierda a derecha a 100 ºC; para evaporarse ydes- prenderse a la atmósfera, sus moléculas gaseosas deben vencer la presión que ejerce sobre ellas una columna de aire de 160 km de altura, aproximadamente, que equivale a la presión atmosférica a nivel del mar; la densidad del aire es muy baja, pero la cantidad acumulada por centímetro cuadrado a esta altura es considerable. En general, la ebullición disminuye 1 •e por cada 300 m de altirud, razón porla cual en algunas poblaciones de Sudamérica a 4 000 msnm se alcanza a 86 •e, mientras que en el monte Éverest se logra a 71 •e (temperatura mínima para cocerun huevo). El efecto opuesto se observaen la olla a presión que alcanza 1 300a 1 500 mm Hg, presión superiora la atrnos- 12 férica, lo que provoca que el agua hierva a 120 ºC; en términos de altitud, el agua hervirla a •www.freelibros.org
  33. 33. Agua 120•e en un punro ubicado a 6 000 m {300 x 20) bajo el nivel del mar. Además del efecto de la presión, Ja temperatura de ebullición se incrementa ligeramente con laadición de sustan- cias de bajo peso molecular, como sal o azúcar; porejemplo, 20g de sal {2%) por litro de agua sólo la aumenta 1 ºC. En contraste, el cruce de la curva 11 de derecha a izquierda representa la condensación, como se observa al hervir el agua y cuyo vaporse condensa en pequeñas gotas al contacto con una superficie fría. Algo semejante ocurre en la parte externa de un vaso con hielo en un ambiente húmedo de playa,o con los anteojos al entrara una zona húmeda y caliente. Al continuar de derecha a izquierda y cruzar la curva 1, ocurre el congelamiento y la formación de hielo. Esta estructura sólida es ordenada ysimétrica y las moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno, lo que resulta en una reducción de la entropía; cada molécula de agua interacciona con otras cuatro y establece enlaces de una distancia oxíge- no-oxígeno de 2.76Ayun ángulo de unión de 109º, muy cercano al del tetraedro perfecto de 109'20', lo que evita tensiones en Ja estructura. Los oxígenos interaccionan de tal manera que generan planos paralelos de agua, según la figura 1.7, y hacen que el hielo adquiera un arreglo hexagonal simétrico en donde cada vértice está representado por un átomo de oxí- geno. En el descongelamiento, Ja estructura cristalina desaparece y, a medida queel hielo se funde, una molécula de agua puede ligar otras cuatro o más, al reducirse la distancia entre ellas, lo que trae consigo una mayor fuerza de unión y un aumento de densidad máximo a 3.98 'C; si el calentamiento sobrepasa esta temperatura, la distancia entre moléculas se incrementa y la densidad se reduce. Se estima que cuando el hielo se derrite y produce agua líquida a O•e, sólo se rompe 10% de lospuentes de hidrógeno. Las diferencias entrelas estructuras del agua y del hielo se reflejan en diversas propiedades, como Ja conductividad térmica; el hielo es más conductor con un valor de 2 240 J/m s ºK (5.3 cal/cm s •q, que es cuatro veces el del agua. El hielo flota en el agua, ya que su densidad es de 0.9168 g/crn' a O•e, mientras que la del agua a Ja misma temperatura es de 0.9998, y a 20 •e de 0.9982. La temperatura de con- gelación disminuye con Ja sal, el azúcary otras moléculas pequeñas, efecto que se observa Figura 1.7 a) Estructura hexagonal de Jos cristales de hielo formados mediante puentes de hidrógenoentre moléculasde agua y b)planos paralelosde las rroléculas de hielo. a) •13 www.freelibros.org
  34. 34. Oulmica de losalimentos en distintas instancias; por ejemplo los vegetales frescos con alta humedad también tienen sales, glucosa y ácidos orgánicos que reducen 1a 2 •esu congelamiento con respecto al agua pura; los peces de aguas gélidas no se congelan debido a que sus tejidos concentran muchas sustancias nitrogenadas de bajo peso molecular; en los trozos grandes de carne, como la de pavo, se encuen0'3 una proporción de agua des a 10% en la que se concentran las moléculas pequeñas yno se congela ni a -20'C; el marcontiene 3%o más desal que conserva el agua en forma líquida aun a O•e; la alta concentración de salen las salmueras permite mantener temperaturas bajas que se aprovechan para enfriarbebidas y helados. Son muy comunes los procesos caseroso industriales que implican cruces delas curvas ly n(congelamiento, descongelamiento,evaporación y condensación), pero es más complejo llevar a cabo aquellos en los que se involucra la curva lll. A una presión inferior al punto triple, el hielo se conviene en gas sin pasar por líquido mediante la sublimación, que es la base de la liofilización que se lleva a cabo siguiendo la ruta g-h-i-j; el primer paso consiste en la congelación rápjda del producto (u gr. a -20 •e o menos) para producir hielo amorfo, sin redes estructuradas típicas de los cristales (h); le sigue una fuene reducción de la presión por debajo del punto triple (i) y, por último, se aplica una pequeña cantidad de calor porra- diación suficiente para lasublimación úlYa que enla sublimación se emplean temperaturas bajas, el alimento no sufre daños térmicos, y los grupos hidrófilos que retienen agua no se ven afectados; la rehidratación de los liofilizados es muy sencilla, y con ella se obtienen ve- getales, té,café, carnes y otros alimentos con propiedades sensoriales (aroma, textura, sabor, etc.) y contenido vitamínico muy semejantes a los de las materias primas. La sublimación también se observa con el llamado hielo seco, sólido, que en realidad es bióxido de carbono comprimido a - 78 •e, y que se transforma en gas sin dejar residuo líquido. t Efecto de los solutos en el agua Como se haindicado, la presencia desolutos causa cambios importantesen la estructura del agua que se reflejan en sus propiedades coli,gativas, tales como la depresión de la tempera- rura de congelamiento, el aumento de la de ebullición, la reducción de la presión de vapor y el incremento de la presión osmótica. La temperatura tiene una influencia muy distinta en la solubilidad- Por ejemplo, la sa- carosa absorbe caloral disolverse en agua y su solubilidadaumenta con la temperatura; por su parte, el NaCI casi no absorbe calor y por tanto no se ve afectado por el incremento de temperatura. El estudio de las disoluciones acuosas parte de los modelos termodinámicos para sis- temas ideales representados en la ley de Raoult, que no pueden extrapolarse a los sistemas reales. excepto en concentraciones muy bajas de solutos y de los cuales no existen muchos en los alimentos. Las desviaciones de esta ley se deben a muchas causas, entre otras a que los solutos tienen interaccionesy forman complejos con ellos mismos o con otros pollmeros, haciendo que no todo esté en solución verdadera, además de que también influye el estado de dispersión, la estructura de capilares del alimento, etcétera. En el caso de una solución ideal, la depresión de la temperatura de congelamiento del agua, At, es proporcionala la concentración del soluto: At = Kn p donde K, es una constante del disolvente, nson los moles de soluto (g/pm) y p el peso del 14 disolvente. •www.freelibros.org
  35. 35. Agua Se deduce que para la misma cantidad de un soluto, el de menor peso molecular pro- vocará una reducción mayor; puesto que un mol es igual a la cantidad en gramos dividida entre el peso molecular. Por ejemplo, el pm efectivo de los compuestos responsables de este abatimiento en Ja leche descremada es de 342, que corresponde a la lactosa, mientras que en losjugos de uva y de jitomate es de 180, que es de la glucosa.' Los solutos alteran el punto de congelamiento del agua debido a que rompen el arreglo tetraédrico de puentes de hidrógeno en el hielo al reducir la energía libre del sistema. En general, los no iónicos tienen un menor efecto que los iónicos, tanto en la reducción de la temperatura de congelación como en el aumento de la de ebullición: un mol de sacarosa (no iónico) disuelto en 1 000 g de agua reduce 1.86 ºC el congelamiento e incrementa 0.52 •e Ja ebullición; para el NaCI (iónico), estas cifras se convierten en 3.72 •e y 1.04 •e, respectivamente; por este motivo, a grandes altitudes se añade sal común al agua de cocción para contrarrestar el efecto de la reducción del punto de ebullición por la menor presión atmosférica. La solubilidad del NaCl se limita con el frío, por lo que la temperatura más baja que se alcanza con soluciones de sal es de -21 •e, las cuales se emplean en el congelamiento industrial de helados y postres con alto contenido de sacarosa. El aumento de la temperatura a la que en condiciones normales hierve un líquido es di- rectamente proporcional a la concentración delsoluto añadido,e inversamente proporcional a su peso molecular. La medición de la depresión de la temperatura de congelamiento se usa comocontrol de calidad para la leche, ya que las sustancias de bajo peso molecular, como lactosa y algunas sales en una concentración constante, hace que congele en un intervalo cerrado de alrede- dor de - 0.54 •e; la determinación se efectúa en el crióscopo y se hace de manera rutinaria para cuantificar posibles adulteraciones (vea el capítulo 12). Al reducir la temperatura de congelamiento, los solutos también afectan la presión de vapor y porlo tanto la actividad del agua; este hecho se ha aprovechado para relacionaram- bos parámetros en soluciones acuosas binarias muysimples, de tal forma que con ese punto de congelamiento se deduce el valorde la actividad del agua." Los grupos noiónicos polares como hidroxilos, carbonilos, enlaces peptídicos y otros si- milares, participan en la creación de puentes de hidrógeno y modifican las interacciones in- ternas entre las propias moléculas de agua; los que tienen un momento dipolar muy grande, como la tirosina yla fenilalanina, inhiben la formación y la estabilización de las estructuras acuosas. Por el contrario, los solutos no polares como hidrocarburos, ácidos grasos, algunos aminoácidos,etc., al no disolverse,favorecen las formas estables de agregadoso clarratos en Jos que los solutos se localizan en los espacios vacíos, Jo que obliga a las moléculas de agua a interactuar més fuene y ordenadamente. Por otra parte, cuando el agua y una solución se separan por una membrana semi- permeable (permeable al disolvente y no al soluto), la tendencia es que el agua pase a Ja solución hasta que el equilibrio de concentraciones se alcance en los dos sistemas. A la presión requerida para que esto suceda se le llama presión osmótica y aumenta con Ja concentración de lossolutos disueltos. Gracias a esto las células de los vegetales marchi- tos (v. gr. zanahorias y naranjas) recuperan su frescura cuando se remojan, sobre todo en agua fria ya que la hemicelulosa de sus paredes celulares se hidrata nuevamente y sehace más rígido y turgente al vegetal. Este efecto también se observa en los microorganismos, que se destruyen cuando se someten a una alta presión osmótica por algún tiempo, princi· pio que se usa como medio de conservación de alimentos ricos en azúcares (mermeladas) o en sal (encunidos). •15 www.freelibros.org
  36. 36. 9Distribución del agua en los alimentos Oulmica de losalimentos Es un hecho que el total del aguacontenida en un alimento no está distribuida de forma ho- rrogénea, como ocurre en los tejidos de frutas, verduras y cárnicos. Esta heterogeneidad se debe a las distintas interacciones que ocurren ent.re el liquido y los macrocomponentes, a la formación de microcapilares y a su rechazo por parte de los lipidos. Por este motivo, dentro del alimentoexisten fracciones de agua que se comportan de diferente manera; por ejemplo, en general un alimento se congela a -20 •e,pero aun en estas condiciones una fracción del agua permanece líquida porconcentrarsolutos de bajo peso molecular y requiere de tempe- raturas más bajas, de -40 •e, para que solidifique por completo. Para entender mejor este comportamiento del agua, considérese una molécula de al- midón completamente seca con un gran número de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de hidrógeno; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitarla 0.01 gde H,O porgramo de sólido, cantidad suficiente para formar una capa mo- nomolecular llamada BET (en honor de Stephen Brunauer, Paul H. Emmetty Edward Teller); esta cifra es de 0.01, 0.06 y 0.03 g/g de sólido para la gelatina, la lactosa amorfa y la leche en polvo, respectivamente. Esta agua está unida a lasuperficie seca, su fugacidad esbaja y en consecuencia su presión de vapor es reducida. Si se sigue añadiendo liquido, se construirán capas superiores sobre la monomolecular. !;;n este esquema tan sencillo y expuesto sólo con fines didácticos, el agua de las capas más internas se consideraría como "ligada" que corres- ponde de 3 a 6% del agua total, mientras que la de las más externas, como"libre'. En realidad no existe ninguno de estos tipos de agua, ya que aun la más fuertemente ligada, que incluye a la capa monomolecular, tiene cierta movilidad puesto que ejerce una presión de vapor mensurable. De igual manera, no hay agua totalmente libre debido a que también está unida a otras moléculas de su misma especie o a otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el alimento; no es libre puesto que no se libera del alimento (v. gr. frutas y hortalizas), cuando se somete a esfuerzos mecánicos ligeros y no fluye cuando se corta un trozo de carne fresca, incluso en tamaños minúsculos. la capacidad de retención de agua de las protelnas y los polisacáridos, principalmente, se define como la cantidad de liquido que puede quedar atrapado en una red, sin que exista exudación o sinéresis; en cada caso este parámetro varia en función del tipo de alimento." Para efectos estrictamente didácticos y con datos generales, se ba elaborado la figura 1.8, en la que se aprecian tres zonas hipotéticas en las que se puede dividir el agua contenida en un producto. La que integra Ja zona 11! se considera "libre', se encuentra en macrocapi· lares y forma parte de las soluciones que disuelven las sustancias de bajo peso molecular, es la más abundante, fácil de congelar y evaporar y su eliminación reduce la actividad del agua a 0.8. En la zona 11, el agua se localiza en diferentes capas más estructuradas y en micro- capilares; es más dificil de quitar que la anterior, pero al lograrlo se obtienen valores de la actividad del agua de aproximadamente 0.25. Esta fracción corresponderla, junto con la rronocapa, al agua "ligada·. Por último, el agua en la zona 1equivale a la capa monomolecular y es Ja más dificil de eliminar en Jos procesos comerciales de secado; en algunos casos se puede reducir parcial- menteen la deshidratación, pero esto no es recomendable ya que, además de que se requiere mucha energía y se daña el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, sobre todo 16 contra las reacciones de oxidación de lipidos, porque actúa como barrera del oxigeno. •www.freelibros.org
  37. 37. Agua Figura 1.8 Cambios queocurren en Josalimentos en función deJa actividad del agua. a) oxidación de Jfpidas; b) reacciones bidrolfticas;e) oscurecimientonoenzimático; d) isoterma de adsorción; e,) actividadenzimática; f) crecimiento debongos; g) crecimiento de levaduras. y h) crecimiento debacterias. monocapa - zonal -l '.. ,_'¡... agua libre zona 11 !-zona 111- ~~;::.:..-··1····--..... ..:./ ¡ ..,,, b l 1.. ' . 'le I :'i I • .: I .' / I ' ' I • ' I ,/¡' I , ' I ,.' 1 I ..--·· . I I ¡ I .•' I /' , .g 111.,..cº I I 1 .lll' · I I J j I / ¡ S. : I 1 ~ ~ g1 ,' ts: lj I I f ,1¡.11 h I / i I I I 11' 0.1 0.2 0 .3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 actividad acuosa t Actividad del agua Ya hemos explicado que el agua de los alimentos influye de diversas maneras: en la reología, la textura, la estabilidad microbiana y las reacciones químicas y enzimáticas que se estudian en otros capítulos. En este sentido, el agualibre es realmente la responsable de estainfluencia, ya que el agua ligada no actúa porque no está disponible o permanece inmóvil. El agua libre es la que da origen al término actividad del agua (Aa) yes con base en este parámetro, y no el contenido total de agua,que se puede predecirla estabilidad y la vida útil de un producto."'·' Sise considera una solución ideal, delas que no existen muchas en alimentos, con solu - 1Ds en muy reducida concentración, este término puede expresarse de la siguiente manera: donde: A" =_f_ =.!_:e_HR_ =__M_a~ í° P, 100 Ma +Ms f • fugacidad del disolvente de la solución f' = fugacidad del disolvente puro HR =humedad relativa P =presión de vapor del agua del alimento P0 • presión de vapor del agua pura Ms • moles de soluto (g/pm) Ma = moles de agua (g/18) P/P0 =presión de vapor relativa (Ec. 1) •17 www.freelibros.org
  38. 38. 18 • Oulmica de losalimentos Termodinámicamente, la fugacidad es una medida de la tendencia de un liquido a es- caparse de una solución; en virtud de que el vaporde agua se comporta como un gas ideal, se puede emplear la presión de vapor en Jugar de la fugacidad. Es decir, la Aa es directa- mente proporcional a la presión de vapor relativa según la ecuación (1) y debido a que es una relación de dos presiones es adimensional. Sus valores varían desde 1.0 para el agua pura, hasta cero para un producto completamente seco. Estos dos parámetros sólo son equivalentes en los extremos; es decir, a 0% de agua le corresponde una Aa de O.O y a 100% de agua una Aa de 1.0; no hay una correspondencia directa, ya que un producto con 80% de humedad no significa que tenga una Aa de 0.8. Por ejemplo, un queso fresco y una mer- melada pueden contener el mismo 65% de agua, pero desarrollan una Aa distinta; el agua de la mermelada está más unida a las pectinas de la fruta, no está tan "libre· y por eso su Aa es de0.86,mientras que en el lácteo está más disponible, lo que induce una Aa de 0.90.1 La actividaddel aguaes una propiedad intrínseca y se relaciona de manera no linealcon el contenido de humedad mediante las curvas o isotermas de adsorción y deserción (figura 1.9). Para entender esto, considérese un alimento con agua, almacenado a una temperatura espedfica en una cémara herméticamente cerrada; al cabo de algún tiempo, su presión de vapor provocará la transferencia de moléculas de agua y la cámara adquirirá una humedad relativa constante que estará en equilibrio (sin movimiento en ningún sentido) con el con- 1enido de agua del alimento. Esa humedad está en función del grado de interacción de los oolutos con el agua, lo que es un reflejo de la facilidad de ésta para escapar del alimento. 'Ilrnto los higrómetros como los manómetros miden la humedady la presión de vapor en el espacio de cabeza de Ja cámara. R'.lr consiguiente, se tendrá un par de valores, de humedad relativa comparada con el contenido de agua. a una temperatura específica; si esto se repite con diferentes porcenta- jes de agua y los resultados se grafican, se obtiene la isoterma de deserción (deshidratación del sólido). Por el contrario, si se parte de un producto seco yse somete a atmósferas de humedad relativa elevadas, se observará una transferencia de masa del gas al sólido hasta llegara un equilibrio; al repetireste experimenro con diferentes humedades, se tendrán de nuevopares de valores que algraficarse crean la isoterma de adsorción (hidratación del sólido). Figura 1.9 Curvas tlpicasde las isotennas de adsorción ydesorción de los alimentos. 100% hicltat9ci6n o 8ds0<cl6n O'l'o ~~~~~~~~~~~~- 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 actividad del agua www.freelibros.org
  39. 39. Agua En la figura 1.9 se aprecia que para un contenido de humedad determinado,la actividad del agua es menor durante la desorción que en la adsorción o que para una Aa determina- da la humedad es mayor en el secado que en la hidratación. Se observa también que estos procesos opuestos no son reversibles por un camino común, fenómeno que recibe el nombre genérico de histéresis-" Por ejemplo, la histéresis se presenta con una prote(na hidratada que se seca en una at- mósfera de humedad relativa de 35% y alcanza el equilibrio a un contenido de 10% de agua (curva de desorción); porotra pane, si la misma proteína totalmente deshidratada se coloca en esa atmósfera, adsorbe humedad y llega al equilibrio con tan sólo 7% de agua. La isoterma de adsorción representa la cinética con la que un alimento adsorbe hume- dad yse hidrata y es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidra- tados almacenados en atmósferas húmedas (higroscopicidad). De manera semejante, la de desorción equivale al proceso de deshidratación y refleja la forma como pierde agua.16 Con base en ambas curvas se diseñan los sistemas de almacenamiento, de secado, de rehidrata- ción. etc., ademá.s de que ayudan a predecir la estabilidad de los alimentos almacenados en distintas condiciones. En el cuadro 1.3 se muestra la variación del porcentaje de humedad de equilibrio (o ad- sorción) de diversos productos alsometerlos a atmósferas de humedadrelativa creciente; es claro que, a medida que aumenta la HR. también lo hace el contenido de agua pero según una relación no lineal. Por otra parte, la Aa se incrementa cuando se eleva la temperatura, ya que igualmente lo hace la presión de vapor."·" como se observa en la figura 1.10; para ilustrar esto, consi- dérense frutas semideshidratadas, no esterilizadas, con 45% de humedad, una Aa de 0.42 y empacadas en cajas de cartón equilibradas con la atmósfera a 20 •e; durante su envio a los clientes, la temperatura del camión subió a 35 ºC y así permaneció por varias horas, de tal Figura 1.10 Influencia de Ja temperatura en lasisotermasdeadsorción. .,. ~..-8 :8 1~+-~---,~-?f--7'-'-..:,.'--/ o 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 actividad dof agua •19 www.freelibros.org
  40. 40. 20 • Oulmica de losalimentos CUADR01.3 Porcentaje de humedad de equfübrio a varias humedades relativas Humedad relativa (%) 10 30 so 70 90 Pan blanco 0.5 3.1 6.2 11.1 19.0 Galletas 2.1 3.3 s.o 8.3 14.9 Pastas S.1 8.8 11.7 16.2 22.1 Harinas 2.6 5.3 8.0 12.4 19.1 Almidón 2..2 S.2 7.4 9.2 12.7 Gelatina 0.7 2.8 4.9 7.6 11.4 manera que la Aa se desplazó de 0.42 original a casi 0.8, situación en la que pueden crecer hongos y levaduras, además de propiciarse algunas reacciones de deterioro en detrimento del producto. Como regla general, aunque dependiendo del alimento de que se trate, muy pequeñas fluctuaciones de temperatura pueden ocasionar grandes modificaciones en la ac- tividad del agua. La Aa también está en función de los sólidos que contenga un alimento y para demos- trarlo se han desarrollado diversas relaciones lineales matemáticas; es el caso del suero de la leche, cuya concentración C (gramos de sólido por 100 g de agua) es proporcional a la Aa mediante la ecuación: Aa =0.999-0.000SSSC. Para este producto en particular,la lactosa ylas sales, y en menorgrado las proteínas, son las que determinan los valores de Aa-" En el cuadro 1.4 se muestran los valores de Aa para diversos alimentos. Las frutas, las honalizas, la carne y muchos enlatados tienen 0.97 en promedio; en cambio, los productos deshldratados van de aproximadamente 0.3 a 0.6, mientras que los llamados alimentos de humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos extremos. Como hemos visto, un ali- mento puede tener la misma Aa y un contenido de agua distinto; de igual manera, para un mismo contenido de agua los valores de Aa pueden ser diferentes.' CUADRO 1.4 Actividad del agua de algunos alimentos Aa Frutas frescas y enlatadas 0.97 Verduras 0.97 Jugos 0.97 Huevos 0.97 Carne 0.97 Queso 0.95 Pan 0.94 Mermeladas 0.86 Frutas secas 0.73 Miel 0.70 Huevo en polvo 0.40 Galletas y cereales 0.35 Azúcar 0.10 www.freelibros.org
  41. 41. Agua t Actividad del agua y estabilidad de los alimentos Los diversos métodos de conservación de alimentos se basan en el conrrol de una o más de las variables que influyen en su estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de nutrimentos y de reactivos, potencial de oxidorreducción y presencia de conservadores. En este sentido, la AQ. es de fundamental importancia y con base en ella se puede conocer el comportamiento de un producto. En la figura 1.11 aparece su relación con el pH; la ubicación del alimento en este sencillo diagrama da una indicación clara de su estabilidad y contribuye a determinar la necesidad de tratamientos térmicos, de adición de conservadores, etc., para prolongar la vida de anaquel del producto." Figura 1.11 Influencia de la Aay del pH en la estabilidad de losalimentos. Qa 1.0 CD ® @0.9 1. FMas y hortalizas enlaladas © 20NADE ® BAJA 2. Leche y carnes frescas ® ESTABILIDAD 3. Quesos con afio contenido.,, de agua ¡ 0.8 ® ® 4. Jamonas 1~ 0 S. Errt>utidos lermenlados ~~ 8. Quesos con bejO contenido @) de agua ~ !! 0.7 7. Mermeladasi .i;; 8. Salsas de lomate E 9. Leche condensada yJarabes~ @.. 10. FMas secas 0.6 11. Miel 12. PaslaS de trigo 13. Gallelas secas (productos @ con 5% de humedad) 0.5 14. Leche deshldtalada (ll'Qduclos con menos 20NADE de 5% de tunedad) ALTAESTABILIDAD @0.4 @ 0.3 alimentosilcidos no éoidos 3.0 4.0 4.6 5.0 6.0 7.0 pH •21 www.freelibros.org
  42. 42. Oulmica de losalimentos En general, mientras más alta sea la Aa y más se acerque a 1.0, mayorserá la inestabili- dad del alimento; por esta razón las carnes, frutas y vegetales frescos requieren refrigerarse para su conseivación; en cambio, los alimentos estables a temperatura ambiente (excepto los tratados de forma térmica y comercialmente estériles, como los enlatados),son bajos en Aa, como sucede con los de humedad intermedia en los que el crecimiento microbiano es retardado. Como vimos antes, la figura 1.8 muestra la influencia de la actividad del agua en varias de las reacciones químicas y enzimáticas que ocurren en los alimentos (oscurecimiento, rancidez, etc.),asícomo en elcrecimiento de hongos,levaduras y bacterias; pero además, la Aa influye en la degradación de vitaminas y pigmentos, pérdida de lisina y otras transfor- maciones. Esta gráfica varia mucho entre los distintos productos, de acuerdo con la compo- sición, la homogeneidad de la distribución de los macrocomponentes, el tipo de reacción o el crecimiento microbiano involucrado y otros factores, por lo que solamente es indicativa de las tendencias generales. La Aaafecta la velocidad deloscurecimientono enzimático (vea el capítulo 2),aun cuan- do cada azúcar ciene un distinto poder reductory. en consecuencia, influye de manera dife- rente. En general, la energía de activación y la temperatura requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua; la velocidad se acelera de 3 a 6 veces cuando la Aa pasa de 0.35 a 0.65 y hasta tres veces por cada 10 ºC de incremento. Sin embargo, cuando se con- centran los alimentos se abate la Aa, pero también se concentran los reactivos, lo que favo- rece la reacción por un mayor contacto; al reduciraún más el agua, se pierde la movilidad de los reactivos y se inhibe la reaoción y por eso, en alimentos muy concentrados con azúcares, es más factible la caramelización que las reacciones de Maillard. Debido a la influencia del binomio actividad del agua-temperatura, en el secado es recomendable reducir la tempera- tura del aire al final del proceso para prevenir eloscurecimiento. La oxidación de los aceites insaturados (vea el capítulo 4) y de otras sustancias lipo- solubles como las vitaminas y varios pigmentos, está influida por la Aa de acuerdo con la figura 1.8; se observa un fuerte incremento por debajo de la monocapa, ocasionado por una falta de agua que proteja del oxígeno la superficie del alimento; después disminuye con la humedad por formar esa capa protectora, para posteriormente aumentar de nuevo debido a que el agua favorece la movilidad de los metales que catalizan la reacción para ponerse en contacto con el sustrato.u En las enzimas, el agua facilita la integración de su centro activo, favorece la difusión de los reactivos e interviene como tal en las reacciones de hidrólisis. Cada enzima requiere una Aa para realizar su función; sin embargo, cuando el sustrato es liquido. como los aceites, las lipasas necesitan sólo un mínimo de agua (vea el capítulo 4), mientras que las carbohidrasas yproteasas requieren de Aa mayores en un intervalo muy amplio (v. gr. desde 0.4 hasta 0.95). Para su crecimiento, Jos microorganismos necesitan condiciones propicias de pH, nu- trimentos, oxígeno, temperatura y actividad del agua;13 • 21 como regla general, esta última tendrá que ser mayor a medida que los otros parámetros se vuelvan menos favorables. Por cada 0.1 unidades de aumento de Aa. el crecimiento microbiano puede incrementarse hasta en 100%. Los que más agua requieren son las bacterias (Aa > 0.91), después las levaduras (>0.88), yluego los hongos (>0.80); de todos, Jos patógenos son los que más la necesitan pare su desarrollo, situación contraria a las levaduras osmófilas (cuadro 1.5). Como regla, la Aa rrúnima para producir toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano. La reducción de la disponibilidad de agua inhibe ese crecimiento, pero a su vez incrementa la resistencia térmica de los microorganismos, lo que indica que para destruirlos es mejor el calorhúmedo que el calorseco. Los microorganismos responden a una baja humedad, lo que prolonga su 22 fase inicial, baja la fase logarionica y reduce el número de células viables. •www.freelibros.org
  43. 43. Agua La estabilidad de las vitaminas está influida por la Aa de los alimentos de baja hume- dad; las hidrosolubles se degradan poco a valores de 0.2-0.3, que equivale a Ja hidratación de la monocapa y se ven más afectadas con el aumento de la Aa. Por el contrario, en los productoS muy secos no existe agua que actúe como filtro del oxígeno y la oxidación se pro- duce fácilmente, sobre todo de la vitamina C. CllADR01.5 Valores mínimos de la actividad del agua para el crecimiento de microorganismos de importancia en alimentos OJ¡anismo Múúma Mayoría de bacterias dañinas 0.91 Mayoría de levaduras dañinas 0.88 Mayoría de hongosdañinos 0.80 Bacteria halófila 0.75 Levadura osmófila 0.60 Salmonella 0.95 Oostridium botulmum 0.95 rscnericllia coli 0.96 Staphyloooa;w; aureus 0.86 &:lcíllussubtílis 0.95 t Alimentos de humedad intermedia Los alimentos de humedad intermedia tienen una larga vida de anaquel y no necesitan re- hidratación ni enfriamiento para conservarse, porlo que son adecuados para zonas y países donde la refrigeración no existe o es muy costosa. Nohayuna definiciónprecisa de ellos pero se les considera productos con Aa de 0.65 a 0.86 y de 25 a 50% de agua. El valor de 0.86 se toma como límite,ya que essuficiente para inhibirbacterias patógenas, como Staphylococcus aureus, aunque es insuficiente para evitar hongos y levaduras, por lo que en su elaboración se aiiaden sorbatos y benzoatos. Estos productos se fabrican quitándole agua al alimento húmedo o adicionándole solu- tos altamente hidratables que retienen agua y, en consecuencia, reducen la Aa. En el primer caso, la concentración por evaporación es muy común y se emplea en la leche, que de Aa = 0.97 pasa a 0.80-0.82, con lo que se obtiene una leche evaporada con mayorvida de anaquel; de igual manera se producen mermeladas, dulces,jaleas, néctares y otros. La reducción del contenido de agua provoca la concentración de otras sustancias,como los ácidos que abaten el pH y que también contribuyen a la estabilidad microbiana del alimento." La influencia de los solutos en la reducción de la actividad del agua en un alimento se refleja en la ecuación (1). Como ejemplo, considérese un litro de agua pura, por lo que Ms = Oy por tanto Aa = 1.0; si se le añaden 2 moles de sacarosa (684 g, pm = 342), Ja Ao • 0.96, ya que Ma • 55.S (1 000/18). Si fuera almidón (pm > un millón), se requeriría una mayor cantidad para lograr el mismo valor, lo que indica la gran influencia de los solutos debajo pm. Estos últimos se seleccionan de acuerdo con su solubilidad, eficiencia, sa- bor, compatibilidad, pH, costo,regulaciones, etc.; se tienen azúcares (sacarosa, glucosa, fruc- tosa, maltosa y lactosa), sales (cloruros de sodio y de potasio y varios fosfatos), polialcoholes •23 www.freelibros.org
  44. 44. Oulmica de losalimentos (sorbitol, glicerina, manirol y propilenglicol), ácidos (fosfórico, láctico, cítrico, ascórbico y fu. rnárico), hidrolizados de proteína, etc. fs claro que la concentración requerida para cada uno de ellos depende de factores como el sabor. Por ejemplo, para reducir la Aa de un cárnico oon sólo NaCl, se necesitarla tal concentración de sal que volverla al producro imposible de comer. La combinación de estas sustancias, junto con los conservadores y OO'OS agenres, es la razón de la estabilidad de los alimenros de humedad intermedia. Al ser un potencial químico, la diferencia de Aa que existe entre el exterior y el ali- mento, o incluso entre sus propios ingredientes, causa la migración del agua. El material del envase es fundamental, ya que si éste es permeable y el alimento se almacena en una atmósfera de HR mayor que la de equilibrio, habrá una migración hacia el interior (higros- copicidad), y la Aa se incrementará; por el contrario, si la humedad externa es inferior, se deshidratará. Aun cuando el material de empaque sea impermeable, la actividad del agua puede incrementarse con la temperatura (figura 1.10). En cualquier caso, el alimento ten- drá una Aa distinta que favorecerá el crecimiento de microorganismos o la velocidad de las reacciones indeseables. Por otra parte, esta transferencia de agua también ocurre internamente entre los cons- tituyentes de un alimento, como en las barras de los cereales con algunos componentes de humedad intermedia. El exterior es una galleta seca con 0.3 de Aa (bajo potencial químico), mientras que el relleno de frutas es de 0.7 (alto potencial químico), o más. fste diferencial provoca la migración de agua y la hidratación de la galleta, lo que conlleva a una reducción de su crujencia y facilita la oxidación de sus grasas. Al reducirse el contenido de humedad del relleno, su azúcar cristaliza y libera más agua, lo que a su vez aumenta la Aa y acelera su migración. Es posible queun alimento tenga dos componentes, unocon 15% yotrocon 25% de agua, y la transferencia se haga del menor al mayor debido a sus distintas Aa,y no con base en sus contenidos de agua. Además de los alimentos, muchos productos y preparaciones comerciales de pigmentos y vitaminas alcanzan su mayor estabilidad cuando se les ajusta la actividad del agua en el intervalo de los de humedad intermedia. tCongelamiento de los alimentos De acuerdo con la ecuación de Arrhenius, la reducción de la temperatura inhibe las reac- ciones químicas y enzimáticas yel crecimiento microbiano, aun cuando en la refrigeración (4-10 'C) y en la congelación(< OºC) también se desarrollan. Esto se debe, en pane, a que por tenerdisueltas sustancias debajo peso molecular, como sales y azúcares, los alimentos pre- sentan zonas ricas en solutos cuya temperatura de congelación se abate considerablemente yno toda el agua se convierte en hielo en el congelamiento,sino que quedan secciones líqui- das ricas en solutos. En el microambiente de la fase no congelable, diferente al resto del alimenro, se modifi- ca el pH, la concentración de reactivos, la Aa, la fuerza iónica, la viscosidad, el potencial de axidorreducción, la solubilidad del oxigeno, la tensión superficial, etc.; en consecuencia, a pesar de la baja temperatura, en estas condiciones pueden ocurrir muchas reacciones qw- micas como la desnaturalización de las proteínas, la oxidación de los Upidos. la hidrólisis de la sacarosa, el oscurecimiento no enzimático, etcétera. La estabilidad y las propiedades de las macromoléculas dentro de las células de los alimentos dependen de la interacción de sus grupos reactivos con la fase acuosa que 24 los rodea; el congelamiento provoca un aumento de 10 a 15% del volumen, altera esas •www.freelibros.org
  45. 45. Agua interacciones y los cristales de hielo modifican la textura en frutas, hortalizas y cárnicos. La turgencia de los tejidos está determinada por la presión hidrostática de las células y la membrana retiene el agua; por lo tanto, también se encarga de mantener la frescu- ra. Los componentes de las membranas son Hpoproteínas formadas por enlaces débiles (puentes dehidrógeno y uniones hidrófobas) muy dependientes de la temperatura, lo que conlleva a su fácil disociación y a la liberación de agua durante el descongelamiemo; esto ocasiona que los tejidos de Jos alimentos pierdan su rigidez y frescura y,en ocasiones, se eliminen nutrimentos, como vitami nas hidrosolubles, en el agua de descongelamiento. Debido a esto, frutas refrigeradas,como las fresas,se sirven parcialmente descongeladas en los restaurantes para evitar que al consumidor le llegue un producto sin estrucrura celular como ocurre cuando se descongela por completo. El congelamiento de helados y similares requiere de un proceso que implique la producción de microcristales para que el producto final se perciba terso y no arenoso por la producción de cristales de mayor tamaño.19 La velocidad de congelamiento determina la formación y localización de los cristales de hielo; cuando se hace rápidamente (unos cuantos minutos a muy baja temperatura), se producen muchos cristales pequeños tipo aguja a lo largo de las fibras musculares de la came por ejemplo; por el contrario, si se efectúa en forma lenta, se induce un menor nú- mero de cristales pero de mayor tamaño, de tal manera que cada célula contiene una sola masa central de hielo. El congelamiento lento es más dañino que el rápido ya que afecta, sobre todo, la membrana celular y además establece cristales intercelulares que tienen la capacidad de unir las células e integrar grandes agregados. Los cristales de hielo no mantienen un tamaño constante en el almacenamiento a bajas temperaturas,sino que continúan creciendo a expensas de los de menortamaño, de- bido a que éstos tienen un área mayor que los grandes que aumentan su presión de vapor y. por lo tanto, las moléculas de agua migran con mayor facilidad. tDureza del agua Esta expresión alude a la concentración de calcio y magnesio disueltos en el agua, que se mide como carbonato de calcio. Por ejemplo, un agua considerada dura contiene 180 partes por millón (ppm) o mg/kg de dureza, mientras que una suave sólo 60 ppm. El calcio y el magnesio influyen de diversas formas en la cocina y en la industria, ya que forman carbonatos ysulfatos que precipitan como puntos blancos en los recipientes en los que se hierve el agua; afectan la panificación al inhibir la actividad de las levaduras; modifican el verde de la clorofila de los vegetales cocinados; confieren un sabor alcalino al agua y a las masas de panificación; endurecen los chícharos yorros vegetales con pectinas, en lugar de ablandarlos en la cocción, al establecerse interacciones entre los polisacáridos y los iones divalentes (vea el capítulo 2); en el escaldado de vegetales reduce la absorción de agua y modifica sus características de textura. Algunas regiones de México sólo disponen de agua dura, de modo que las recetas de cocina deben adaptarse a esa circunstancia; además, esa agua no forma espuma con los jabones ni con los detergentes usados para el baiío o el lavado de los utensilios de cocina. Además de dificultar la limpieza de los equipos industriales, este tipo de agua provoca que se deposite carbonato y sulfato de calcio en las paredes de los intercambiadores de calor, los pasteurizadores, las calderas, etc., con Jo que ocasionan una reducción en el área de transferencia de calor. •25 www.freelibros.org
  46. 46. Oulmica de losalimentos 9Agua potable El consumo de agua no potable esel origen de muchosproblemas de salud que aquejan a un gran sector de la población mundial, entre ellas enfermedades como la parasitosis,el cólera, Ja hepatitis y otras de tipo gastrointestinal ocasionadas porbacterias, virus, lombrices intes- tinales o vermes y protozoarios. La potabilización representa un paso muy importante para evitar problemas como los que se refieren y con ese propósitx> existen tecnologías adecuadas para aguas de mar, pozo, río y lago con diferentes contaminantes. Cabe indicar que Ja congelación no elimina a los agentes deletéreos, por Jo que consumir hielo fabricado con agua no potable resulta igual- mente peligroso."' Con algunas variantes, la filtración es el proceso de purificación más utilizado porque elimina partículas grandes (como arena y trozos de madera), hasta moléculas muy peque- ñas, todo en función de Ja abertura que tenga Ja malla filtrante. Las membranas para la microfiltración eliminan panículas suspendidas; las de Ja ultrafiltración separan microor- ganismos y macromoléculas como proteínas y polisacáridos, pero las de ósmosis inversa lo hacen con sustancias tan pequeñas como las sales disueltas en el agua de mar. La filtración se complementa con diversos métodos para asegurar la destrucción de microorganismos parogenos. Una manera común consiste en la adición de cloro por ser un potente agente bactericida; se utiliza el hipoclorito de sodio para que el agua llegue al consumidor con una concentración de 0.3 a 1.5 ppm de cloro hbre. Con la ozonificación se aprovecha el alto poder oxidante del ozono (O,) que destruye bacterias, hongos y virus; es un gas muy inestable que se convierte en oxígeno (0,), no se puede transportar y se genera insitu en los ozonificadores mediante una descarga eléctrica en el aire. Otro mecanismo son laslámparas UV: cuya longitudde onda de 254 nanómetros (nm) tiene un efecto fotoquímico oxidarivo en el ADN de Jos microorganismos, pero debido a que su acción es más superficial y poco penetrante, su aplicación tiene algunas limitaciones. En el ámbito casero y en establecimientos de comida, antes de usar el agua dorada por el municipiose le hace circular a través de filtros purificadores fabricados a base de carbón activado y resinas de intercambio iónico. El primero se elabora al calentar madera o cásca- ras de coco o de nuez en ausencia de oxígeno para que no se quemen, con lo que se forma una masa porosa de gran área superficial en Ja que quedan adsorbidos Jos olores y sabores desagradables. Esta capacidad de retener gases es tan grande,que el carbón activado se usa en medicamentos contra la flatulencia. Cabe mencionar que el bicarbonato de sodio que se coloca en Jos refrigeradores realiza Ja misma función desodorizante, con la ventaja de que se regenera con un ligero calentamiento. Por su parte, las resinas son pequeñas panículas de plástico que intercambian sus iones de sodio y de hidrógeno por Jos disueltos en el agua con carga positiva, como el calcio y el magnesio de las aguas duras, asícomo el plomo,cobre, mercurio, zinc y cadmio. 9Agua en la industria alimentaria El agua tiene múltiples aplicaciones en la industria de alimentos; se emplea en Ja produc- ción, en Ja formulación, en el transpone de vegetales, en Ja generación de vapor, en los ser- vicios (baños, regaderas, riego, etc.), en los sistemas de enfriamiento, en el lavado de equipo 26 y maquinaria, etc. Su extracción se vuelve cada día más complicada ycostosa,sobre todo en •www.freelibros.org
  47. 47. Agua países como México, donde se deben perforar varios cientos de metros para alcanzarel pre- ciado líquido. Por estas razones es de suma importancia implementar programas de ahorro, así como de optimización de procesos y reutilización para disminuir el consumo. En muchas ocasiones el agua es la causa de reacciones que reducen las propiedades sensoriales y el valor nutritivo de los alimentos, por lo que es necesario tener un control adecuado de su calidad, sobre todo de la que está en contacto directo.Nosólo los microorga- nismos presentes pueden causar daños, sino que las sales y los iones que contiene también ocasionan problemas, como es el caso del hierro que cataliza las reacciones de oxidación de moléculas insaturadas, Jo que produce rancidez y decoloración de diferentes pigmentos. Asimismo, el cobre también propicia reacciones semejantes y de destrucción de vitarrúnas, como la C. La reactivación de algunas enzimas de los alimentos tratados térmicamente pue- de acelerarse con Ja presencia de cationes como calcio y magnesio, que provienen del agua empleada. Las aguas de pozos profundos contienen muchos bicarbonatos de hierro y man· ganeso que son solubles e incoloros, pero que al oxidarse en presencia de aire producen precipitados de color amarillo-rojo y gris-negro por la formación de sus respectivos hidróxi· dos. Debido a la contaminación industrial de los mantos acuíferos, el agua también puede impregnarolores y sabores indeseables a Jos alimentos. El cloro y Jos fenoles se perciben en concentraciones menores a 1 ppm. Así como en Ja industria alimentaria se consume mucha agua, también se generan efluentes que contaminan ríos, lagos, mantos acuíferos, mares, etc., si previamente no son tratados. Esta contaminación es muy significativa en términos de la gran variedad de com· puestos y del enorme impacto que tienen en Jos ecosistemas. Las autoridades requieren que se cumpla con los valores límite de ciertos parámetros para poder descargar las aguas residuales, tales como grasas y aceites, sólidos sedimentables, pH, temperatura, diversos elementos (As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn), demanda biológica de oxigeno, sólidos suspendidos totales y demanda química de oxígeno. Para cumplircon esos parámetros, se emplean diversos procesos físicos (sedimentación, flotación), químicos (coagulación, cambio iónico y ajuste de pH) y biológicos (digestión mi- crobiana), por lo general en combinación. En Jos dos primeros se utilizan las propiedades físicas y químicas de los propios residuos para separarlos, mientras que en el biológico los efluentes orgánicos son inoculados con microorganismos para producir biomasa que poste- riormente se separa como un sólido humedecido. Las aguas tratadas provenientes de estos sistemas se reutilizan en diversos servicios de las fábricas, como en calderas, riego, baños, etc., con lo cual se contribuye a reducirJa sobreexplotación de los mantos acuíferos. •27 www.freelibros.org
  48. 48. Oulmica de losalimentos Referencias bibliográficas 1.Barbosa-Cánovas, G.V. y Labuza,T.P. 2007. Mlter ActivitiesofFoods Fundamentals and Appli· cations. Black:well PublishingLtd. Oxford, Inglaterra. 2.Belitz, H., W. Grosch y P. Schleberle, Eds. 2004. Food Chemistry. Springer-Verlag. Berlín. 3.Bertoluzza, A., C. Fagnano, M.A Morelli, A. 1ínti y M.R. Tosí. 1993. "The role of water in biological systems".J Moler::. Struct 297:425-437. 4.Chen, C.S. 1987. Relationship between water acrivity and freezing poinr depression of food systerns. J. FoodSci. 52:433. 5.Chinaeroti, P. 2000. Water Activity. En Food Chernistry: Principies and Applications. Ed. G. Christen. ScienceTechnology System. California. 6.Chinacroti, P. 1993. "Water mobility and its relation to food functionality of sucrose- containing food systems·. FoodTechnol. 45(1):134-140. 7.Clark, P.J. 2011. High Pressure Processing. Food Technol. 6:107-110. 8.dark, P.J. 2009.Water Activicy:Thermodynamics in Foods. Food Technol.10:73· 77. 9.Coultate, T.P. 2002. Food.The CherniSO'}' ofits Components. The Royal Society of Chemistry, cambridge. 10.DeMan,J.M. 1999. •water". Cap. 1 en Food Chernistry. Tercera edición, pp. 1-32. Aspen Pu- blishers, Gaithersburg. MD. 11.Ftitsch, C.W. 1994. "Upid oxidation -The other dimensions". lnform 5:423-428, 431-436. 12.Iglesias, H.A., Chirife, J. y Ferro Fontán, C. 1986. Ternperature dependance ofwater sorption isotherms ofsomefoods. J. Food Sci. 51:551. 13.Jay, J.M. 2000. Modern Food Microbiology. 6a. ecl Gaithersburg, Mcl 14.Kanterewicz, R.J. y Chirife, J. 1986. Color changes and available lysineduring storage ofshelf- stable concentrated cheese whey.J. Food Sci. 51:826. 15.Kapsalis, J.G. 1987. "lnfluences of hysteresis and temperature on moisture sorption isotherms'. En Water Activity: Theory and Applications to Food. Ed. LB. Rockland y L.R. BeuchaL Marcel Dekker, Nueva York. pp. 173-213. 16.Labuza, T.1'., Kaanane, A. y Chen, ].Y. 1985. Fffect of ternperature on the moistUre sorption isotherrns and wateractivity shi.ft to two dehydrated foods. J. Food Sci. 50:385. 17.Lerici, C.R., Piva, M. yRosa, D. 1983. Water activity and freezing point depression ofaqueous solutions and liquid foods. ~ Food Sci. 48:1667. 18.Muñoz de Chávez, M. 2010. Composición de alimentos. 2a. Ed. McGraw Hill México. 19.Regand,A., Goff, H.D. 2002. f/fect of biopolymers on structureand ice recrystallization in dyna- micallyfrozen ice cream model systerns.J. Dairy Sci. 85(11):2722-2732. 20.Reid, D.S. y Fennema, O.R. 2008. "Agua y hielo'. En Química de Jos alimentos, Ed. Damo- daran, S., Parkin, K., Ly Fennema, O.R. Ed. Acribia, Zaragoza, España. 28 21.Robinson,R. y Pare!, P. 2000. Encycloped.ia of Food Microbiology.Academic Press. l.ondres. •www.freelibros.org
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  50. 50. www.freelibros.org
  51. 51. Salvador Badui Dergal Hidratos de carbono Introducción E n sus orígenes, el término hidratos de carbono (del inglés mrbohydrate; en español car- bohidrato) se refería a compuestos únicamente a base de átomos de carbono con igual número de moléculas de agua; es decir,se representaban con una fórmula condensada genérica de C,(H,O), como sucede con la glucosa, la galactosa y la fructosa: c.(H,o)•. Sin embargo, actualmente se aplica a una gran familia de sustancias que, además de carbono, hidrógeno yoxígeno, contienen elementos como azufre, fósforo y nitrógeno. Su estructura es de polihidroxialdehído o de polihidroxicetona, es decir, contienen mu- chos grupos hidroxilos; son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza y también los que más consume el serhumano, dado que en muchos países representan 80% o más de la dieta. Se encuentran principalmente en el reino vegetal y en menor proporción en el animal.• Su origen común es la glucosa (del griego gleukos, vino dulce) proveniente de la fotosíntesis, es decir, de la transformación del bióxido de carbono y elagua por los efectos de la luz solar en presencia de la clorofila de los cloroplastos en las plantas verdes. En este complejo proceso la energía radiante del solse transforma en energía química, que a su vez se almacena en forma de hidratos de carbono,sobre todo almidón, además de que se produ- ce el vitaloxigeno (figura 2.1). e 31 www.freelibros.org
  52. 52. Oulmica de losalimentos Figura2.l Qclo del bióxido de carbonoy fotosíntesis. 801 o ~/ co, atmostérico foloslntesls Fotosfnlesls oxigeno 90&lJl18 • 6C02 + 12 H,0 luminosa bió•lclo de carbono oombusti6n de energétic:os C2H120 8 +60,+ SH,O glucosa too De acuerdo con su tamaño molecular, Jos dentos de hidratos de carbono existentes en la naturaleza se clasifican en monosacáridos,oligosacáridos y polisacáridos (cuadro 2.1). CUADR02.1 Clasificación de los hidratos de carbono en alimentos a) Mmosacáridos (1 unidad de azúcar) Pentosas: xilosa, arabinosa. nbosa, Hexosas: aldohexosas: glucosa,galactosa, manosa c:etohexosas: fructosa,sotbosa e) Polisacdridos (mds de 10 unidades de azúcar) b) Oligosacáridos (de 2 a10 unidades de azúcar) Disacáridos: lactosa,sacarosa,maltosa, trehalosa,lactulosa Tusacáridos: rafinosa Tetra y pentasacáñdos: estaquiosa, verbascosa Homopolisa.cáridos: almidón,glucógeno, celulosa Heterqiolisacáridos: hemicelulosa, pectinas, gomas, inulina t Monosacáridos Son los hidratos de carbono más sencillos, y porlo cual no pueden serhidrolizados a formas 32 más simples; los más comunes provienen de la familia del D-gliceraldehído que por adición •www.freelibros.org
  53. 53. Hidratos de carbono de grupos - GIOH integran las terrosas, pentosas y hexosas, razón por la que el grupo alde- lúdo siempre se encuentra en el carbono número uno'.2' (figura 2.2). El carbono número 2del gliceraldehídoes asimétrico, por lo tantoexiste comolos isóme- ros D y L; lo mismo ocurre con el resto de los compuestos de esta familia y as!, por ejemplo, Jos D presentan su hidroxilo del carbono anomérico más alejado del aldehido a la derecha del plano central: en las hexosas, las pentosas y las terrosas se localiza en el C-5, C-4 y C-3, respectivamente, mientras que en los Lel hidroxilo de referencia se ubica a la izquierda. Las designaciones D y Lno indican la dirección en la que el azúcar hace rotar el plano de la luz polarizada; para ello se emplean los signos(+) y(-),que corresponden respectivamente a hidratos de carbono dextrorrotatorios y levorrotatorios. Además de los monosacáridos que contienen un grupo aldehído (-cHO), existen Jos que llevan un grupo cerona (-0=0); los primeros incluyen elsufijo -osa en su designación (como en glucosa ygalactosa) ylos segundos -ulosa (como en levulosa y ericrulosa). En ambos casos, el grupo aldehído o cetona los convierte en agentes reductores. Figura22 Proye<:ción de Fischerde Jos azúcares derivadosdel D·gliceraldehído de 4, 5 y6 átomosde carbono. Los pares de moléculas (u gr. glucosa y manosa) trlosa tetrosas pentosas hexosas S'.>n epúneros. (1) CHO (2) Hf-OH (3) CHzOH ().gliceraldehldo / ~(1) ~O yHO (2) HyOH HOy H (3) HCOH HC- OH (4) d H,OH CH,OH /~ /~(1) yHO y HO <(HO <¡HO (2) HCOH HOCH HCOH HOCH (3) HfoH Hf OH t-K>9 H HOf H (4) HfOH Hf OH HyOH Hy- OH (5) CH,OH CH,OH CH,OH CHzOH 7~ /raba l /(1) CHO (2) HfoH (3) HCOH (4) H?OH (5) HfOH (6) CH,OH o-alosa CHO t-K>CH 1 HyOH HCOH HCOH CH,OH CHO HCoH1 HOy H HCOH tHo-altrosa o.glucosa CHO t-K>CH 1 HOyH H<¡OH b~~H o-mamsa CHO HCOH 1 HCOH 1 HOCH Hf OH CH,OH o-gulosa yHO t-K>CH 1 HCOH HOCH HCoH CH,OH o-idosa o.galaclosa ~o HO<¡H HOyH HOy H Hf-OH CH20H o-talosa •33 www.freelibros.org

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