Determinación de humedad en alimentos

1. Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua, Managua
UNAN-Managua
Facultad de Ciencias e Ingenierías
Departamento de Química
Química de los Alimentos
Unidad 3: Análisis Proximal de Alimentos
Conferencia 1. Humedad, Sólidos Totales y Actividad del Agua
Preparada por:
Róger Antonio Jaime Manzanarez, MSc.
Managua, marzo, 2017

2. Introducción
◊ La humedad es la cantidad de agua que contiene un
alimento. El análisis de humedad es uno de los
procedimientos analíticos más importantes y
fundamentales que se puede realizar en un
producto alimenticio.
◊ La materia seca que permanece después de la
eliminación de humedad se conoce comúnmente
como sólidos totales.
◊ La actividad del agua es una factor de estabilidad y
de calidad de un producto alimenticio.

3. Importancia del Análisis de
Humedad
1. La humedad es un factor de calidad en la
preservación de algunos productos y afecta la
estabilidad de
(a) vegetales y frutas deshidratados
(b) leches secas
(c) huevos en polvo
(d) patatas deshidratadas
(e) especias y hierbas

4. Importancia del Análisis de
Humedad
2. La humedad se utiliza como un factor de calidad para
(a) mermeladas y jaleas para prevenir la cristalización
del azúcar
(b) jarabes de azúcar
(c) cereales preparados (convencionales, 4 – 8% e
inflados, 7 – 8%)

5. Importancia del Análisis de
Humedad
3. Por conveniencia se utiliza humedad reducida en el
envasado o el envío de
(a) leches concentradas
(b) jarabes de azúcar (67% de sólidos) y jarabes de maíz
(80% de sólidos)
(c) productos deshidratados (éstos son difíciles de
empaquetar si son demasiado alto en humedad)
(d) jugos de frutas concentrados

6. Importancia del Análisis de
Humedad
4. El contenido de humedad (o sólidos) con frecuencia se
especifica en las normas de composición (es decir,
Normas Legales de Identidad)
(a) El queso Cheddar debe tener ≤39% de humedad.
(b) La harina enriquecida debe tener ≤15% de humedad.
(c) El jugo de piña debe tener sólidos solubles de
≥10.5˚Brix (bajo condiciones específicas)
(d) El jarabe de glucosa debe tener ≥70% de sólidos
totales.
(e) El porcentaje de agua añadida en carnes procesadas
se especifica comúnmente.

7. Importancia del Análisis de
Humedad
5. El cálculo matemático del valor nutricional de los
alimentos requieren conocer el contenido de humedad
de éstos.
6. Los datos de humedad se utilizan para expresar los
resultados de otras determinaciones analíticas sobre
una base de peso uniforme [es decir, en base al peso
seco (es español, bs; en inglés, dwb, dry weight basis), o
en base al peso húmedo (en español, bh; en inglés,
wwb, wet weight basis)].

8. Contenido de Humedad en los
Alimentos
Contenido aproximado de agua de algunos alimentos (%)
Lechuga, espárrago, coliflor 95
Brócoli, zanahoria 90
Manzana, durazno, naranja 88
Leche líquida 87
Papa, pera 80
Huevo, pollo 74
Carne de res 70
Carne de cerdo, helado 60
Pan 40
Queso 45
Mantequilla 16
Galletas 5
Chocolate 2

9. Formas de Agua en los Alimentos
La facilidad de remover el agua de un alimento
depende de cómo existe en el producto alimenticio.
Agua libre
Agua
absorbida
Agua de
hidratación

10. Formas de Agua en los Alimentos
◊ Agua libre: Esta agua conserva sus propiedades
físicas y por lo tanto actúa como agente dispersante
para coloides y como solvente para sales.
◊ Agua absorbida: Ésta se encuentra enlazada
fuertemente o retenida en las paredes celulares o
protoplasma y está enlazada fuertemente a las
proteínas.
◊ Agua de hidratación: Esta agua está ligada
químicamente, por ejemplo, en forma de lactosa
monohidratada; también en algunas sales como
Na2SO4 · 10H2O.

11. Formas de Agua en los Alimentos
Alimento

12. Formas de Agua en los Alimentos
◊ Dependiendo de la forma del agua presente en un
alimento, el método utilizado para la determinación
de la humedad puede medir más o menos de la
humedad presente.
◊ Esta es la razón por lo que deben emplearse métodos
oficiales con procedimientos establecidos. Sin
embargo, pueden existir varios métodos oficiales para
un producto en particular.
◊ Por ejemplo, la AOAC declara 4 métodos oficiales para
el análisis de humedad en queso: Método 926.08,
Método 948.12, Método 977.11 y Método 969.19.

13. Métodos para la determinación de
Humedad en Alimentos
◊ Directamente: destructivos
1. Destilación: técnica de separación
2. Horneado: gravimétrico (por diferencia de peso)
◊ Indirectamente: no destructivos
3. Método químico: volumétrico (método Karl-Fisher)
4. Métodos físicos:
4.1. Método Dieléctrico
4.2. Hidrometría
4.3. Refractometría
4.4. Espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR)
4.5. Crioscopía (punto de congelamiento)|

14. 1. Destilación
• Método más directo para medir humedad
• Muestra calentada con solvente orgánico
inmiscible y de mayor punto de ebullición
que el del agua (100 °C)
• Solventes menos densos que el agua:
tolueno (110.6 °C), xileno (137 – 140 °C)
• Solvente más densos que el agua:
tetracloroetileno (121° C)
• Agua es evaporada y condensada en un
tubo graduado (trampa)
• Tarda minutos, útil para alimentos de
baja humedad con muchos aceites
volátiles: especias
• Desventajas: Usa solventes inflamables,
consume tiempo, destructivo

15. 1. Destilación
• Métodos Oficiales para análisis de
humedad utilizando esta técnica:
o En especias (Método AOAC 986.21)
o En queso (Método AOAC 969.19)
o Piensos (Método AOAC 925.04)
• Se obtienen resultados exactos y con
buena precisión para semillas,
aceites, jabones y ceras.
• Se puede utilizar la trampa de
humedad de Bidwell-Sterling o la
trampa de Dean-Stark.
Trampa de
humedad de
Bidwell-Sterling
Trampa de
humedad de
Dean-Stark

16. 2. Horneado
• Método directo para medir humedad
• Tres categorías principales:
o Hornos de convección (5-24 horas)
a. Simple: poca uniformidad
b. De aire forzado
c. Al vacío
o Hornos de radiación (5-20 min)
a. Microondas
b. Infrarrojos
o Analizador rápido de humedad

17. 2.1. Hornos de Convección
a. Simple
• Existe una gran variación de la temperatura
por lo que el secado es poco uniforme.
• 105ºC por 0.75 a 24 h.
• Aire caliente evapora el agua del alimento
• Pre-secado para productos >50% humedad.
• No hay Métodos Oficiales aprobados.
b. Aire forzado
• Hornos de corriente de aire forzado proveen
secado más uniforme.
• Preciso, simple y barato.
• Lento, pérdida de compuestos volátiles, no
útil para alimentos altos en azúcares.
• Métodos Oficiales: Método AOAC 990.19 y
990.20 (ambos para leche líquida).

18. 2.1. Hornos de Convección
Temperatura y tiempos en horno de aire forzado para algunos alimentos
Producto
Pre-secado sobre
baño de vapor
Temperatura del
horno (°C ± 2)
Tiempo en el
horno (h)
Suero de leche líquido X* 100 3
Queso (común) 100 16.5 ± 0.5
Chocolate y cacao 100 3
Requesón 100 3
Crema, líquida y congelada X 100 3
Albúmina de huevo, líquida X 130 0.75
Albúmina de huevo, seca X 100 0.75
Helado y postres helados X 100 3.5
Leche X 100 3
Leche entera, baja en grasa 100 3
Leche desnatada condensada 100 3
Nueces: almendras,
cacahuates y pacanas
130 3
*X = muestra debe ser parcialmente secada sobre baño de vapor antes de ser colocada en el horno.

19. 2.1. Hornos de Convección
c. Al vacío
• Baja presión (25-100 mm Hg) remueve
humedad y volátiles sin descomposición en
un tiempo de secado 3 – 6 h. a 70ºC.
• Bandeja de metal transmite calor.
• Para frutas, alimentos altos en azúcar o de
baja humedad.
• Más rápido, menos degradación de
carbohidratos.
• Más caro, siempre se pierden volátiles.
• Métodos Oficiales: Método AOAC 926.08
(queso), 934.01 (piensos), 926.12 (aceites y
grasas comestibles)

20. Cálculo de la Humedad
El contenido de humedad y sólidos totales en alimentos
puede ser calculado como sigue utilizando procedimientos
de secado en hornos (Nielsen, 2010):
%𝐻 (𝑚/𝑚) =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑔
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 𝑔
× 100
%𝐻 (𝑚/𝑚) =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 𝑔 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 (𝑔)
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 𝑔
× 100
%𝑆𝑇 (𝑚/𝑚) =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 (𝑔)
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 (𝑔)
× 100

21. 2.2. Hornos de Radiación
a. Microondas
• El más rápido (5-20 min).
• Se obtienen resultados exactos y
precisos.
• No recomendable para especias o
hierbas.
• Muestra debe estar bien
homogenizada y con apropiado
tamaño de partícula.
• La cantidad de tiempo para pesar la
muestra apropiadamente debe ser
minimizado.
• Métodos Oficiales: Método AOAC
985.26 (productos a base de tomate),
985.14 (carne de res y pollo).

22. 2.2. Hornos de Radiación
b. Infrarrojos
• Rápido (10-25 min).
• La lámpara de infrarrojos utilizada
para suministrar calor a la muestra
produce una temperatura del
filamento de 2000–2500 K (RF 3000-
300,000 GHz).
• El analista debe tener cuidado de que
la muestra no se queme ni endurezca
mientras se seca.
• Popular en líneas de producción.
• Difícil de estandarizar, no útil para
especias o hierbas.
• No hay Métodos Oficiales aprobados.

23. 2.3. Analizador rápido de humedad
• Detectan niveles de humedad desde
50 ppm a 100% utilizando pesos de
muestra de 150 mg a 40 g.
• Utilizan una balanza digital, la
muestra de ensayo se coloca en una
platillo de aluminio o papel de
aluminio y el programa de control de
calor (con un rango de calentamiento
de 25 a 275 °C) eleva la muestra de
ensayo a una temperatura constante.
• A medida que la humedad es
removida de la muestra, el
instrumento pesa automáticamente y
calcula el porcentaje de humedad y/o
sólidos.
• No hay Métodos Oficiales aprobados.

24. 3. Titulación: Método Karl-Fisher
• Adaptable a alimentos que muestran
resultados erráticos cuando son
calentados o sometidos a vacío.
• Es rápido, exacto y no utiliza calor.
• Está basado en la siguientes
reacciones químicas:
• donde B es una base amina (piridina
C5H5N)
• Es una procedimiento volumétrico
manual (barato) o automático (caro).
• El punto final se puede detectar
visualmente (amarillo a rojo-café) o
conductométricamente.
Unidad manual para la
titulación Karl-Fisher

25. 3. Titulación: Método Karl-Fisher
• El reactivo de Karl-Fisher (KFR) es
adicionado directamente como
titulante si la humedad en el alimento
está disponible (bebidas).
• Si el alimento es sólido la humedad
debe ser extraída con un solvente
apropiado (metanol). Luego el extracto
de metanol es titulado con KFR.
• Antes de la titulación de la muestra se
debe determinar el valor del
equivalente de agua del KFR (KFReq).
• El KFReq representa la cantidad
equivalente de humedad que
reacciona con 1 mL de KFR. El KFReq
cambia con el tiempo.
Unidad manual para la
titulación Karl-Fisher

26. 3. Titulación: Método Karl-Fisher
• El KFReq puede ser determinado con
agua pura, estándar de agua en
metanol anhidro o tartrato de sodio
dihidratado (Na2C4H4O6·2H2O).
• El Na2C4H4O6·2H2O es un estándar
primario muy estable y contiene
15.66% de agua bajo cualquier
condición en el laboratorio.
donde:
 KFReq: equivalente de agua del KFR
 S: masa de Na2C4H4O6·2H2O (g)
 A: mL de KFR gastados para titular el
tartrato de sodio dihidratado
Unidad automática para la
titulación Karl-Fisher

27. 3. Titulación: Método Karl-Fisher
• El contenido de humedad en la
muestra es determinado así:
donde:
 KFReq: equivalente de agua del KFR
 Ks: mL de KFR gastados para titular la
muestra (alimento)
 S: masa de alimento (mg)
• Fuentes de error: extracción de
humedad incompleta, humedad
atmosférica, humedad adherida a las
paredes del vaso de reacción,
interferencias (ácido L-ascórbico,
compuestos carbonílicos y ácidos
grasos insaturados)
Unidad automática Metrohm
915 KF Ti-Touch para la
titulación Karl-Fisher

28. 3. Titulación: Método Karl-Fisher
Aparato Barsntead Aquametry I
para titulación Karl-Fisher
• Métodos Oficiales
o AOAC 967.19 E-G (frutas y
vegetales desecados).
o AOAC 977.10 (dulces y chocolates).
o AOAC 984.20 (café tostado, aceites
y grasas).
o Aplicable a cualquier alimento bajo
en humedad y alto en azúcares o
proteína.

29. 4. Métodos físicos
4.1. Método Dieléctrico
4.2. Hidrometría
4.3. Refractometría
4.4. Espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR)
4.5. Crioscopía (punto de congelamiento)

30. 4.1. Método Dieléctrico
• Rápido (1 min) y barato.
• Mide el cambio en la capacitancia
(Faraday) o resistencia (Ohm) de
una corriente eléctrica que pasa a
través del alimento.
• El instrumento requiere calibración
utilizando muestras de humedad
conocida.
• Este método está limitado a
alimentos que contiene menos de
30 – 35% de humedad.
• No hay Métodos Oficiales
aprobados.

31. 4.2. Hidrometría
• Mide gravedad específica o
densidad del alimento.
• Se considera un método arcaico
que aun es ampliamente utilizado,
y con técnicas apropiadas se
obtiene resultados con altos
grados de exactitud.
• Utiliza hidrómetros o picnómetros.
• Aplicable a bebidas que contienen
un componente en mayor cantidad
(soluto) que el resto de los
componentes. Ej.: jugos, vinos,
cervezas, salmueras, etc…
Picnómetro
Hidrómetros o
Densímetros

32. 4.2. Hidrometría
a. Hidrómetros
• Es un instrumento de peso estándar y
desplaza un peso de líquido igual a su
propio peso.
o En una bebida de baja densidad, el
hidrómetro alcanzará mayor profundidad.
o En una bebida de alta densidad, el
hidrómetro no se hundirá tanto.
• El vástago del hidrómetro está calibrado
para leer directamente a 15.5 o 20 °C. Si
no realizan las mediciones a estas
temperaturas de deben aplicar factores
de corrección sobre los resultados.
• Rápido, exacto y de bajo costo.
• Métodos Oficiales: Método AOAC 957.03
(bebidas alcohólicas).

33. 4.2. Hidrometría
b. Picnómetros
• Es una pieza de cristalería estandarizada que mide la
gravedad específica por comparación de pesos de
volúmenes iguales de la bebida y del agua.
• Métodos Oficiales:
o Licores destilados (AOAC 930.17)
o Sólidos en jarabes de azúcar (AOAC 932.14B)
o Sólidos en leche (AOAC 925.22)
• La densidad de la bebida se calcula así:
donde:
𝜌𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎: densidad de la muestra (bebida)
𝑊
𝑚: peso del picnómetro aforado con la muestra
𝑊
𝑎: peso del picnómetro aforado con agua
𝑊
𝑝: peso del picnómetro vacío
𝜌𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 =
𝑊
𝑚 − 𝑊
𝑝
𝑊
𝑎 − 𝑊
𝑝

34. 4.3. Refractometría
• El refractómetro es un instrumento que
mide el índice de refracción (𝜂) de un haz
de luz que penetra el alimento.
• El índice de refracción depende de la
concentración de sólidos, de la
temperatura y de la longitud de onda
(𝜆 =589 nm).
• Existen refractómetros portátiles (menor
exactos) y de mesa (mayor exactitud).
• Rápido, exacto y de bajo costo.
• Métodos Oficiales:
o Método AOAC 932.14C (sólidos en
jarabes)
o Método AOAC 932.12, 976.20, 983.17
(sólidos solubles en frutas y productos de
frutas)

35. 4.3. Refractometría
1. Colocar el alimento
sobre el prisma.
2. Indicar al refractómetro
que produzca el haz de luz.
3. En el campo de visión
ocular del refractómetro leer
la desviación que sufrió el
haz de luz.
4. Cuantificar la cantidad de
sólidos/azúcares utilizando el
resultado del paso 3.

36. 4.4. Espectroscopía de NIR
• Técnica analítica no destructiva para
estudiar las interacciones entre la luz
incidente y al superficie del alimento.
• El agua presenta bandas NIR (1400-
1450; 1920-1950 nm) características del
estiramiento del grupo hidroxilo (-OH) y el
área debajo del espectro está relacionada
con la cantidad de agua presente en el
alimento.
• Mínima preparación de la muestra
• Análisis rápido
• No requiere reactivos
• Resultados precisos
• Método Oficial AOAC 972.16 (leche)

37. 4.5. Crioscopía
• Mediante un crioscopio mide el punto de
congelamiento de una solución.
• Exclusivo para detectar adulteración en la leche
líquida (adición de agua).
• El punto de congelamiento de la leche puede
verse afectado por la infección de mastitis en
vacas y la acidificación de la leche.
• El porcentaje de agua añadida se calcula así:
 0.517: punto de congelamiento en °C de la
leche cruda (sin procesar)
 T: punto de congelamiento en °C de la muestra
• Método Oficial AOAC 961.07
• La FDA rechaza lotes de leche con puntos de
congelamientos por arriba de – 0.503°C
Crioscopio modelo 4D3
fabricado por Advanced
Instruments, Inc. para
determinar el punto de
congelamiento de la leche.

38. Actividad del Agua
• La actividad del agua (𝑎𝑤, en inglés; 𝑎𝑎, en español) es
un indicador de la estabilidad y la vida útil de un
producto alimenticio.
• Refleja el grado de interacción con los demás
constituyentes, además de que se relaciona con la
formulación, el control de los procesos de
deshidratación y de rehidratación, la migración de la
humedad en el almacenamiento y muchos otros factores
(Dergal, 2006).
• La actividad del agua es un mejor indicador de la
perecederidad del alimento que el contenido de agua
(Nielsen, 2010).

39. Actividad del Agua
• Matemáticamente se define
𝑎𝑤 =
𝑃
𝑃0
=
%𝐻𝑅𝐸
100
donde:
 𝑃: presión de vapor del agua del alimento a una
temperatura 𝑇.
 𝑃0 : presión de vapor del agua pura a la misma
temperatura.
 %𝐻𝑅𝐸: humedad relativa de equilibrio del alimento, a la
cual no gana ni pierde agua

40. Medición de la Actividad del Agua
• El alimento se equilibra dentro de
una cámara sellada que
contiene un espejo que permite
detectar la condensación en él.
• En el punto de equilibrio la
humedad relativa del aire en la
cámara es el mismo que la 𝑎𝑤 de
la muestra.
• 𝑎𝑤 se reporta a una temperatura
específica (21 °C)
• Rápido (1 – 5 min), exacto y no
destructivo.
• Alta precisión y alta exactitud.
• Alto costo.

41. Actividad del Agua
Actividad del agua de algunos alimentos

42. Actividad del Agua
𝒂𝒘 mínima requerida para el
crecimiento de microorganismos

43. Actividad del Agua y Crecimiento de
Microorganismos en Alimentos

44. Actividad del Agua y Crecimiento de
Microorganismos en Alimentos

45. Actividad del Agua y
Estabilidad de los Alimentos

46. Detección de Alimentos Potencialmente
Peligrosos (FDA, Food Code 2009)

47. Detección de Alimentos Potencialmente
Peligrosos (FDA, Food Code 2009)