quimica

1. TEMA: El agua en los alimentos
MODALIDAD NO PRESENCIAL
FACULTAD DE INGENIERIAAGRARIA, INDUSTRIAS ALIMENTARIAS Y AMBIENTAL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
QUIMICA DE ALIMENTOS
Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión
SEMANA 01

2. Bienvenidos

3. En muchas ocasiones, al agua no se le considera un
nutrimento porque no sufre cambios químicos durante
su aprovechamiento biológico.
Tiene un gran número de funciones biológicas basadas en su
capacidad física para transportar sustancias, disolver otras y
mantenerlas tanto en solución como en suspensión coloidal y
también en su reactividad química, al intervenir en la
fotosíntesis y en muchas reacciones enzimáticas de hidrólisis;
es decir, participa activamente en la síntesis de hidratos de
carbono a partir de CO2, fundamental en la vida de este
planeta, y en la conversión de diversos materiales complejos
(polisacáridos, proteínas, grasas, etcétera) a formas más
sencillas y asimilables para las plantas y los animales.
INTRODUCCIÓN

4. Principal constituyente de todos los tejidos vivos
(menos el 60% de su composición)
El agua influye en las propiedades de los alimentos y, a su vez, los
componentes de los alimentos influyen en las propiedades del agua
Frutas-----) frescura
Deshidratados (10-12%
sal común y en el azúcar
En los alimentos (96-97%

5. Es muy importante conocer su comportamiento en los tres estados
físicos, líquido, hielo y vapor:
- Sus propiedades fisicoquímicas (calor de vaporización, calor
específico, etcétera) influyen en el diseño de los procesos para
manejar y transformar los alimentos.
- Su influencia es decisiva para obtener deshidratados con buena
aceptación.
- En la rehidratación y el congelamiento es preciso comprender la
manera como se comporta, tanto en su forma líquida como en el
hielo, para evitar posibles daños.
- Para conservar los alimentos es necesario determinar su influencia
en el crecimiento microbiano y en las distintas reacciones físicas,
químicas y enzimáticas negativas.
CONTROL
Al restringir el agua disponible (actividad del agua) para evitar su
crecimiento, con procesos: concentración, deshidratación,
congelamiento, liofilización, salado y azucarado.

6. Propiedades fisicoquímicas
PROPIEDADES DEL AGUA
Debido a la formación de
estructuras tridimensionales
mediante puentes de
hidrógeno, el agua muestra
propiedades muy particulares
que resaltan aún más.
Figura. Representación esquemática de la molécula de agua: (a) y (b) estructura
tetraédrica imaginaria formada por las órbitas sp3 del oxígeno, y (c) dimensiones de
la molécula de agua.

7. El calor de vaporización, el calor específico, su conductividad,
sus propiedades dieléctricas, etcétera, son por mucho muy
peculiares y muy distintas a las de moléculas semejantes.
Por ejemplo,
Su elevado calor latente de vaporización
(2,260 kJ/g o 539 kcal/g), representa la
energía necesaria para transformar un
kilogramo de agua líquida en vapor a 100ºC,
y la que se requiere para romper las fuerzas
atractivas, de tal manera que las moléculas
individualmente puedan escapar y pasar a
la fase gaseosa.
Para comparar y entender mejor este valor,
El metanol, el etanol, la acetona y el
cloroformo (todos disolventes orgánicos
comunes), presentan calores de
vaporización inferiores: 263, 205, 125 y 59
kcal/g, respectivamente.
« El alto valor indica
que se necesita
mucha energía
para vaporizar un
poco de agua
« La vaporización de
pequeñas
cantidades de ella
es suficiente para
sustraer mucho
calor
Ejm.:
Deshidratación
de alimentos),

8. La condensación, es exotérmico y libera
una cantidad semejante de calor,
Por otra parte, es necesario disipar 333.7
kJ/g o 79.7 kcal/g (calor latente de
fusión), para cambiar el agua líquida a
hielo a 0ºC
a medida que este se funde,
sustrae mucha cantidad de
energía del líquido.

9. Como vapor, el agua sigue la ley
de los gases ideales,
PV = nRT
« Enlatado de los alimentos no
ácidos, cuyo calentamiento
externo causa que la presión
interna se incremente y, en
consecuencia, su temperatura
alcance la esterilización
comercial a 121ºC (250ºF)

10. Su gran dipolo es fundamental para
calentar los alimentos en microondas (915-
2,450 MHZ) ya que, al producir una
oscilación y fricción permanente en las
moléculas, se induce un aumento de la
temperatura.

11. Como disolvente, el agua
tiene una infinidad de
aplicaciones en la naturaleza
(existen disoluciones, como
océanos, mares, lagos, ríos,
etcétera), al igual que en los
alimentos, en el plasma
sanguíneo y en la orina, que
desempeñan un papel vital
para el cuerpo humano.
Muchas sales y compuestos
iónicos y no iónicos, sólo se
solubilizan en agua y nunca
en disolventes apolares o en
grasas.

12. Figura 2. Formación de puentes de hidrógeno con diversos grupos
funcionales de los hidratos de carbono, de las proteínas y de los ácidos
grasos.
aldehídos, cetonas e hidroxilos grupo amino (-NH2) básico y
un grupo carboxilo (-COOH)
ácido.
grupo carboxilo
(-COOH)

13. Las moléculas de agua que están en contacto con el aire se
comportan de una manera muy distinta de las que no lo están, ya
que actúan como una película elástica, dando origen a los
fenómenos de tensión superficial.
Figura . Representación esquemática de la interacción agua:aire. Las flechas indican los puentes de
Este comportamiento
dificulta la
humectación de
polvos, ya que hay
que vencer una alta
tensión superficial de
la interfase agua/aire
Uso de agentes
tensoactivos (los
aderezos y de otras
emulsiones

14. El agua no está uniformemente
distribuida
En los alimentos existen
diferentes estados energéticos
en los que se encuentra el
agua; es decir, no toda el agua
de un producto tiene las mismas
propiedades fisicoquímicas
DISTRIBUCION DEL AGUA EN LOS ALIMENTOS
Esto se puede comprobar fácilmente
por las diversas temperaturas de
congelamiento.

15. GRAFICA

16. El 4% de su agua no
congela aun a -24ºC por
la presencia de una
solución con 72% de
sólidos
El agua no congelada aumenta
a 12%, ya que contiene una
mayor cantidad de sólidos
totales (26%), y en solución
(74.5%).

17. La capacidad de retención de agua es una medida de la
cantidad del líquido que puede quedar atrapado en una red,
sin que exista exudación o sinéresis.
Ejemplo:

18. Figura. Cambios que ocurren en los alimentos en función de la actividad del agua. a) Oxidación de lípidos;
b) reacciones hidrolíticas; c) oscurecimiento no enzimático; d) isoterma de adsorción; e) actividad
enzimática; f) crecimiento de hongos; g) crecimiento de levaduras, y h) crecimiento de bacterias.
Para efectos estrictamente didácticos y con datos muy
generales, la siguiente figura muestra tres zonas hipotéticas en
las que se puede dividir el agua contenida en un producto.

19. Se encuentra en
macrocapilares 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.
el agua se localiza en diferentes capas más
estructuradas y en microcapilares; es más difícil
de quitar que la anterior, pero al lograrlo se
obtienen valores de la actividad del agua de
aproximadamente ……...
El agua equivale a la capa
monomolecular y es la más
difícil de eliminar en los
procesos comerciales de
secado; en algunos casos se
puede reducir parcialmente
en 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
contra las reacciones de
oxidación de lípidos,
porque actúa como barrera
del oxígeno
agua “ligada”

22. La actividad del agua es
una propiedad intrínseca y
se relaciona de manera no
lineal con el contenido de
humedad mediante las
curvas o isotermas de
adsorción y desorción
ACTIVIDAD DE AGUA
Es con base en este valor
empírico que se puede predecir
la estabilidad y la vida útil de un
producto, y no con su contenido
de agua.

23. Para entender esto,
considérese un
alimento con
agua,
almacenado a
una temperatura
determinada en
una cámara
herméticamente
cerrada;
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 contenido de agua del alimento.
al cabo de algún tiempo
Dicha humedad está en función del
grado de interacción de los solutos
con el agua, lo que es un reflejo de
la facilidad de ésta para escapar del
alimento.

24. Figura. Curvas típicas de las isotermas de
adsorción y desorción de los alimentos.
Por consiguiente, se tendrá un par de valores, de humedad relativa vs
contenido de agua, a una temperatura determinada
si ahora se parte de un producto seco y se
somete a atmósferas de humedad relativa
elevadas, se observará una transferencia de
masa del gas al sólido hasta llegar a un
equilibrio; al repetir este experimento con
diferentes humedades, se tendrán nuevamente
pares de valores que al graficarse crean la
isoterma de adsorción (hidratación del sólido).
si esto se repite con diferentes
porcentajes de agua, y los resultados se
grafican, se obtiene la isoterma de
desorción (deshidratación del sólido).

25. Se aprecia que para un
contenido de humedad
constante la actividad del agua
es menor durante la desorción
que en la adsorción, o que para
una aa determinada, la
humedad es mayor en el secado
que en la hidratación.

26. En el cuadro 1.4 se
muestra la variación
del porcentaje de
humedad de equilibrio,
o adsorción, de
diversos productos al
someterlos a
atmósferas de
humedad relativa
creciente; es claro que
a medida que aumenta
la HR, también lo hace
el contenido de agua
pero según una
relación no lineal.

27. Por otra parte, el valor de aa se incrementa cuando se
eleva la temperatura, ya que igualmente lo hace la
presión de vapor
Figura. Influencia de la temperatura
en las isotermas de adsorción
Ejemplo hipotético de frutas semideshidratadas, no
esterilizadas, con 45% de humedad, empacadas en
cajas de cartón y equilibradas con la atmósfera a
20ºC, durante su envío a los clientes, la temperatura
del camión subió a 35ºC y así permaneció por varias
horas, de tal manera que la aa se desplazó de 0.42
original a casi 0.8,
situación en la que ahora pueden crecer hongos y
levaduras, además de propiciarse algunas reacciones de
deterioro

28. De manera teórica, la aa puede
calcularse con diversos modelos
matemáticos, como los
representados por las ecuaciones de
Langmuir, de BET, de Anderson-
Guggenheim, de Chung y Pfost, de
Iglesias y Chirife, de Bradley, de
Smith, de Henderson, etcétera.

29. En general, existe mucha información sobre los valores de la actividad del
agua de un gran número de alimentos (cuadro 1.5). Las frutas, las
hortalizas, la carne y muchos enlatados tienen, en promedio, 0.97;
contrariamente a éstos, los productos deshidratados van de
aproximadamente 0.3 a 0.6, mientras que los llamados alimentos de
humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos extremos.

30. Con base en ambas curvas se diseñan los sistemas de
almacenamiento, de secado, de rehidratación, etcétera,
además de que ayudan a predecir la estabilidad de los
alimentos almacenados en distintas condiciones.
DETERMINACION DE LAS CURVAS DE ADSORCION
Y DESORCION
 Representa la cinética con la que un
alimento adsorbe humedad y se hidrata.
 Representa la cinética del proceso de
deshidratación y refleja la forma como
pierde agua.

31. La isoterma de adsorción representa la cinética
con la que un alimento adsorbe humedad y se
hidrata, y es importante conocerla ya que
refleja el comportamiento de los deshidratados
almacenados en atmósferas húmedas
(higroscopicidad). De manera semejante, la de
desorción equivale al proceso de deshidratación
y refleja la forma como pierde agua.

32. Para su elaboración es preciso calcular el contenido de humedad y la
actividad del agua en el alimento, cuando se alcanza el equilibrio en
un sistema cerrado; para medir el primero se utilizan los métodos
tradicionales ya conocidos, y para la aa se pueden emplear diferentes
sistemas basados en las mediciones de la presión de vapor, de la
temperatura de rocío, del abatimiento del punto de congelamiento,
de las temperaturas de bulbos húmedo y seco, etcétera
Con el higrómetro
En ausencia de instrumentos, las isotermas se determinan colocando
muestras del alimento en distintas cámaras cerradas herméticamente
(p. ej. un desecador de laboratorio)

33. cuando se desea obtener la curva de
adsorción se utiliza el alimento seco
con disoluciones salinas de HR altas,
y cuando se quiere determinar la de
desorción, se usa el alimento
húmedo con HR bajas.

34. La cinética de adsorción de los polvos es
muy importante, ya que con base en ella
se diseña el empaque y se determinan las
condiciones de almacenamiento; aunque
cada producto se hidrata de manera
diferente, esto se puede modificar con la
ayuda de aditivos, o manipulando las
condiciones de su procesamiento.

35. Los valores de las isotermas también
pueden determinarse con base en
ecuaciones matemáticas, como la de
Clausius Clapeyron con la que se calcula la
aa a cualquier temperatura cuando se
conoce el calor de adsorción-desorción a
una humedad constante.

36. Los diversos métodos
de conservación se
basan en el control
de una o más de las
variables que
influyen en la
estabilidad, es decir,
actividad del agua,
temperatura, pH,
disponibilidad de
nutrimentos y de
reactivos, potencial
de oxido-reducción,
presión y presencia
de conservadores.
ACTIVIDAD DE AGUA Y ESTABILIDAD DE
LOS ALIMENTOS

37. La aa es de fundamental importancia, y
con base en ella se puede conocer el
comportamiento de un producto.
En la figura, 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, etcétera, para
prolongar la vida de anaquel.
Figura. Influencia de la aa y del pH en la estabilidad de
En general, mientras más alta sea la aa
y más se acerque a 1.0, que es la del
agua pura, mayor será su inestabilidad,
por ejemplo, en carnes, frutas y
vegetales frescos que requieren
refrigeración por esta causa.

38. El contenido de agua por sí solo no
proporciona información sobre la
estabilidad de un alimento y, por
eso, productos con la misma
humedad, presentan distintas vidas
de anaquel; dicha estabilidad se
predice mejor con la aa.

39. La estabilidad de las vitaminas está influida
por la aa de los alimentos de baja humedad;
las hidrosolubles se degradan poco a valores
de 0.2-0.3, que equivale a la 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
produce fácilmente.

40. Para su crecimiento, los
microorganismos necesitan
condiciones propicias de pH, de
nutrimentos, de oxígeno, de
presión, de temperatura y de
actividad del agua; como regla
general, esta última tendrá que ser
mayor a medida que los otros
parámetros se vuelvan menos
favorables.

41. Los que más agua requieren son las bacterias (›0.91), después las
levaduras (›0.88), y luego los hongos (›0.80); de todos, los
patógenos son los que más la necesitan para su desarrollo,
situación contraria a las levaduras osmófilas. Como regla, la aa
mínima para la producción de toxinas es mayor que para el
crecimiento microbiano.

42. Tienen una larga vida de
anaquel y no necesitan de
rehidratación o de enfriamiento
para conservarse
ALIMENTOS DE HUMEDAD INTERMEDIA
Son adecuados para zonas y países en donde la
refrigeración no existe o es muy costosa

43. Estos productos se fabrican quitándole agua al alimento o adicionándole
solutos altamente hidratables que retienen agua y reducen
consecuentemente 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 una mayor
vida de anaquel; de la misma
manera se fabrican 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 es muy compleja
Los solutos de bajo pm se seleccionan de acuerdo con su
solubilidad, eficiencia, sabor, compatibilidad, pH, costo,
regulaciones, etcétera; se tienen, por ejemplo, azúcares
(sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y lactosa), sales
(cloruros de sodio y de potasio y varios fosfatos),
polialcoholes (sorbitol, glicerina, manitol y propilenglicol),
ácidos (fosfórico, láctico, cítrico, ascórbico y fumárico),
hidrolizados de proteína, etcétera.1
Es claro que la concentración requerida para cada uno de
ellos depende de muchos factores, como el sabor. Por
ejemplo, para reducir la actividad del agua de un cárnico
con la sola adición de NaCl, se necesitaría tal concentración
de sal que volvería el producto imposible de comer. La
combinación de estas sustancias, junto con los
conservadores y otros agentes, provoca la estabilidad de los
alimentos de humedad intermedia.

44. Por otra parte, esta transferencia de agua también
ocurre internamente entre los constituyentes de un
alimento, como sucede 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.
Este 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.

45. La reducción de la temperatura inhibe las
reacciones químicas y enzimáticas y el crecimiento
microbiano, aun cuando en la refrigeración y en la
congelación también se desarrollan.
CONGELAMIENTO DE LOS ALIMENTOS
En parte, debido a que los alimentos, por tener disueltas sustancias de
bajo peso molecular, como sales y azúcares, presentan zonas ricas en
solutos cuya temperatura de congelación se abate considerablemente y no
toda el agua se convierte en hielo en el congelamiento, sino que quedan
secciones líquidas ricas en solutos.

46. A medida que disminuye la
temperatura también se reduce la
proporción de agua no congelada,
aunque aumenta la concentración
de los sólidos disueltos.

47. En el microambiente de la fase no congelable,
diferente al resto del alimento, se modifica el pH,
la concentración de reactivos, la aa, la fuerza
iónica, la viscosidad, el potencial de oxidación-
reducción, la solubilidad del oxígeno, la tensión
superficial, etcétera; en consecuencia, en estas
condiciones, a pesar de la baja temperatura,
pueden ocurrir muchas reacciones químicas tales
como la desnaturalización de las proteínas, la
oxidación de los lípidos, la hidrólisis de la
sacarosa, el oscurecimiento no enzimático,
etcétera.

48. 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 los rodea; el congelamiento
provoca un aumento de 8 10% del volumen, altera dichas
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 es la membrana la que
retiene el agua y por lo tanto la que mantiene la frescura. Los
componentes de las membranas son lipoproteínas formadas por
enlaces débiles (puentes de hidrógeno y uniones hidrófobas) muy
dependientes de la temperatura, lo que conlleva a su fácil
disociación y a la liberación de agua durante el descongelamiento;
esto ocasiona que los tejidos de los alimentos pierdan su rigidez y
frescura y, en ocasiones, se eliminen nutrimentos, como vitaminas
hidrosolubles, en el agua de descongelamiento.
Debido a esto, algunas
frutas congeladas, como las
fresas, se sirven
parcialmente descongeladas
en los restaurantes para
evitar que al consumidor le
llegue un producto sin
estructura celular como el
que se presenta cuando se
descongela totalmente.

49. La velocidad de congelamiento determina la
formación y localización de los cristales de hielo
cuando se hace rápidamente
(minutos a muy baja temperatura),
se producen muchos cristales
pequeños tipo aguja a lo largo de las
fibras musculares de la carne
si se efectúa en forma lenta, se induce
un menor número 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 mayormente la
membrana celular y además establece
cristales intercelulares que tienen la
capacidad de unir las células e integrar
grandes agregados.

50. Los cristales de hielo no
mantienen un tamaño constante
en el almacenamiento a bajas
temperaturas, sino que
continúan creciendo a expensas
de los de menor tamaño, debido
a que éstos tienen un área mayor
que los grandes que aumenta su
presión de vapor y, por lo tanto,
las moléculas de agua migran
más fácilmente.

51. PROCEDIMENTAL
1. CRISTALIZACION E HIDRATACION DE LOS CARBOHIDRATOS.
2. CONSERVACION EN LA TECNOLOGIA DE AZUCARES.
3. PODER EDULCORANTE DE LOS CARBOHIDRATOS.
4. CONSERVACION DE FRUTAS Y HORTALIZAS.
5. CONSERVACION DE MERMELADAS Y NECTAR.