COMPOSICION Y ANÁLISIS DE ALIMENTOS EPA 01ACT

1. UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO ESCUELA DE POST GRADO COMPOSICION Y ANÁLISIS DE ALIMENTOSEPA 01ACT MAESTRIA EN CIENCIA Y TECNOLOGIA DE ALIMENTOS Dra. Celina Luízar Obregón

2. Agua Importancia del agua en los alimentos Es una sustancia de complejidad infinita, de grande inapreciable importancia, dotada de una rareza y belleza suficiente como para excitar y retar a cualquiera que pretenda conocerla

3. Importancia del agua Es esencial para la vida como: • Estabilizadora de la temperatura corporal, • Portadora de nutrientes y productos de desecho, • Como reactivo y medio de reacción, • Estabilizadora en la conformación de biopolímeros, • Probable facilitadora de la conducta dinámica de las macromoléculas, • Por sus propiedades catalíticas, etc

4. Importancia del agua • El agua representa el constituyente más abundante en la mayor parte de los alimentos en estado natural a excepción de los granos. • En la cantidad, localización y orientación correcta, es crucial para los procesos vitales. • Influye en la estructura, aspecto y sabor de los alimentos. • La textura de los alimentos dependen de la asociación entre el agua y otros constituyentes, sin embargo esta cualidad es también responsable de su deterioro.

5. Tabla. Contenido de agua de diversos alimentos

6. La molécula de agua

7. Constantesfísicas del agua y del hielo

8. Constantesfísicas del agua y del hielo

9. Propiedadesfísicas del agua • Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. • Calor latente de fusión y de vaporización: se llama así al calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua. • Conductibilidad térmica: tiene la propiedad de transmitir el calor y la electricidad. • Viscosidad: tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. El agua puede existir en estado sobreenfriado, es decir puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo del punto de congelación. Es uno de los agentes ionizantes más conocidos y también se le conoce como el disolvente universal.

10. Asociación de las moléculas de agua • La forma de V de una molécula de agua y la naturaleza polarizada del enlace O-H, determinan una distribución asimétrica y un momento de dipolo en estado de vapor de 1.84D para el agua pura Fuerza intermolecular muy alta m = 1.84 D

11. Fuerzas atractivas intermoleculares El agua tiene una gran capacidad para formar múltiples enlaces de hidrógeno. Cadamomécula de aguaescapaz de unirse a un máximo de otrascuatromoléculas. Conformacióntetraédrica.

12. Se formancuatrolineas de fuerza

13. Estructura del hielo El agua (tetraédrica) cristaliza en unaestructuraabierta (de bajadensidad), formandounageometríahexagonal en el hielo

14. Capas y estructura basal de hielo The “basal plane” of ice (combination of two layers of slightly different elevation). Each circle represents the oxyg en atom of a water molecule. Open and shaded circles, respectively, represent oxygen atoms in the upper and lower layers of the basal planes. Hexagonal structure viewed down the c axis. Numbered molecules relate to the unit cell in Fig ure 3. Three-dimensional view of the basal plane. The front edg e of view b corresponds to the bottom edge of view a.

15. Estructura del hielo • Las moléculas de aguaestántetracoordinadas. • El hielo no esestático. • La actividad en el hielo se debe, entre otros, al movimiento de los átomos de hidrógeno al formar el enlace de hidrógeno.

16. Solutos en el hielo • La cantidad y clases de solutos presentes puede influir en la cantidad, tamaño, estrucura, localización y orientación de los cristales de hielo. • Las formas generales encontradas en alimentos son hexagonales, pero tambien se conocen las dendritas irregulares, esferulitas simples y esferulitas evanescentes. dendritasirregulares esferulitas

17. Estructura del agua • El agualíquidatieneunaestructuraque le permiteproducirrigidez de largo rango. • La movilidad de unamolécula de aguaestáinfluenciadaporsusvecinas. • Es un “líquidoabierto” con densidaddel 60% de lo que se esperaría, explicadaporsudisposicióntetraédrica.

18. Estructura del agua • El águalíquida (t.a.) contienetrayectostridimencionalesininterrumpidos de enlace hidrógeno. • Preferencia local por la geometríatetraédrica. • Contienemuchos enlaces distorcionados o rotos. • Posibilidad de agregadosdispersos de unascuantasmoléculas de agua. • Las moléculaspuedencambiar entre sísus enlaces de hidrógeno. • Matiene la temperaturaconstante, el retículointacto y grannúmero de enlaces hidrógeno.

19. Estructura del agua • En el hielo, a medidaque se incrementa la temperatura, se destruye la estructurarígida. • Las moléculas de agua se reorganizan. • Se formandisposicionesreticularesquepermiten la formación de enlaces de hidrógenodistorcionables. • La temperatura se incrementa (calorlatente de fusion). • El número de coordinación se incrementadesde 4.0 en el hielo: Hasta 4.4 en el agua ( a 1.50oC) Hasta 4.9 en el agua ( a 83oC) • Aumenta la distancia entre moléculasvecinas, desde 2.76 A (hielo) a: 2.9 A en el agua ( a 1.50oC) 3.05 en el agua ( a 83oC) • Aumenta el número de vecinasmáspróximas y aumenta la densidad. • El retículo de enlace esaltamentedinámico, aumentando la movilidad molecular y fluidez, y porconsiguientedisminuyendo la viscosidad.

20. Interaccionesagua-soluto La adición de diferentessustancias al aguadetermina la alteración de la propiedades de la sustanciaañadida y de la propiaagua. Sustanciashidrofílicas (SHf) Interactuanfuertemente con el agua: dipolo-dipolo; io-dipolo. Modifican la estructura del agua y sumovilidad. Las sustanciashidrfílicascambiansuestructura y reactividad. • Sustanciashidrofóbicas (SHb) • Los gruposhidrofóbicosinteractuandébilmente con el aguaadjacente. • El aguaadyacente a lasSHbasume un grado de estructura mayor que en el aguapura. • Porello los gruposhidrófobos se agreganparaminimizarsucontacto con el agua.

21. Interaccionesagua-soluto

22. Ligazón de agua ó Hidratación (Water binding or hydration) Es la tendencia delagua a asociarse, con diversosgrados de tenacidad a sustancias hidrofilicas. Depende entre otros de la naturaleza del soluto, Composiciónsalina, pH, Temperatura.

23. Agua Ligada Es el aguaqueexiste en la vencindad de los solutos y otrosconstituyentes no acuosos, exibiendoreducidamovilidad molecular y otraspropiedadessignificativamentealteradas, en comparación con la “masa de agua” del mismosistema, siendoincongelable a -40 oC. El agua capilar es la fracción del agua retenida por el suelo que puede ser absorbida por las raíces de las plantas, mientras que el agua ligada forma una capa tan fina alrededor de las partículas del suelo y está tan fuertemente unida a ellas que no puede ser aprovechada por las plantas

24. Agua Ligada • La cantidadaparente de agualigadavaríasegun el método de análisis. • La cantidad real de agualigadavaríadependiendo del producto. • El agualigadaconsta de: • Agua constitucional: es el agualigadamástenazmente y que forma parte integral de la sustancia no acuosa. • Agua vecinal: es el agualigadaquesigue en tenacidad de unión. • Ocupa los sitios de la primeracapa de los gruposmáshidrofílicos (de los constutyentes no acuosos). • Cuandoligada a gruposiónicos, se ligamásfirmemente. • Agua multicapa: ocupa los restantessitios de la primeracapa y forma vairascapasdetras del aguavecinal. • Estáligadamenostenazmenteque el aguavecinal. • Tambiénestápróxima al constituyente no acuoso, suspropiedadesestanalteradas, respecto al aguapura.

25. Agua Ligada • No estáinmovilizada. • El agualigada a SHfestámásestructuradaque el aguapura, perodifiere al hielo. • La cantidad real de agualigadavaríadependiendo del producto. • En algunossistemascelulares de alimentos el aguapuedeestarconfinada en pequeñoscapilares (radios 10 a 100 mm). Presentareducidamovilidad y presión de vapor. • Los alimentos de altahumedadpresentancantidadespequeñas de agualigada. • Ejm. Proteínas 0.3 a 0.5 g H2O porgramo de proteínaseca. • Los alimentos de bajahumedadsonmejordescritos con la actividad de agua.

26. Capacidad de Retención de Agua (Sinéresis) • Describe la capacidad de unamatriz de moléculas, normalmentemacromoléculas, paraatrapargrandescantidades de agua de talmaneraque se evite la exudación. • Ejm.: pectina, almidón, tejidosanimalesvegetales; • La materiaorgánicaatrapafísicamentegrandescantidades de agua. • Agua atrapada: • Se comportacomoaguapuradurante el procesado de alimentos; • Se eliminafácilmente, se congela; • Constituye la principal fracción de agua en células y geles; • Influye en la capacidad de retención de agua de los alimentos. • Influenciasobre la sinéresis: • Congelación – reducción; • Descenso de pH –reducción.

27. Actividad del agua Se define como la relación que existe entre la presión de vapor de un alimento dado en relación con la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura. Se denomina por regla general como aw del idioma inglés Wateractivity, aw ). La actividad acuosa es un parámetro estrechamente ligado a la humedad del alimento lo que permite determinar su capacidad de conservación, de propagación microbiana, etc. La actividad acuosa de un alimento se puede reducir aumentando la concentración de solutos en la fase acuosa de los alimentos mediante la extracción del agua (liofilización) o mediante la adición de nuevos solutos. La actividad acuosa junto con la temperatura, el pH y el oxígeno son los factores que más influyen en la estabilidad de los productos alimenticios.

28. Principales grupos de alimentos y sus valores de Aw Valores de Aw Alimentos • 0,98 y superiores Carne y pescado frescos Frutas y hortalizas frescas Leche y la mayoría de las bebidas Hortalizas enlatadas en salmuera Frutas enlatadas en almíbar poco concentrado • 0,93-0,98 Leche evaporada Pasta de tomate Queso sometido a tratamiento industrial Carnes curadas enlatadas Embutidos fermentados (no desecados) Frutas enlatadas en alrni'bar concentrado Queso de Gouda • 0,85-0,93 Embutidos secos o fermentados Cecina de vaca Jam0n fresco Queso de Chedar viejo Leche condensada azucarada • 0,60-0,85 Frutas desecadas Harina Cereales Compotas y jaleas; Nueces Algunos quesos viejos Alimentos de humedad intermedia • Inferiores a 0,60 Chocolate, Pastelería Miel , Bizcochos, Galletas crackers Patatas a la inglesa, Huevos y hortalizas deshidratados y leche en polvo

29. Aw y conservación de los alimentos • El contenido de agua libre se expresa como Aw , donde: • Donde P = presión de vapor del alimento • Po= presión de vapor del agua pura • Que obedece la Ley de Rault. Soluciones no ideales las moléculas e iones presentes causan desvíos de la Aw calculada de esta forma. • La presión P del vapor de agua sobre un alimento, despues de alcanzar el equilibrio, a una temperatura t, corresponde al porcentaje de humedad relativa HR del alimento:

30. Aw y conservación de los alimentos • El valor máximo de la actividad de agua es 1, en el agua pura. • Alimentos con Aw> 0.9 • Pueden formar soluciones diluidas con componentes del alimento que servirán de sustrato para desarrollo de microorganismos. • Las reacciones químicas y enzimáticas pueden disminuir su velocidad, por las bajas concentraciones. • La contaminación biológica es más fácil. • Alimentos con Aw 0.40 – 0.80 • Hay posibilidad de reacciones químicas y enzimáticas rápidas, por el aumento de las concentraciones de los reactantes. • Alimentos con Aw 0.6 • Hay poco o ningún crescimiento microbiano

31. Alimentos con Aw < 0.3 • Se alcanza la “Zona de Absorción Primaria”, presencia de la monocapa: • Las moléculas de agua pueden estar enlazadas a puntos de absorción primarios (Ej. R-COOH) y otras moléculas de idrógeno (agua ligada). • Esta agua no es utilizable para disolver componentes del alimento. • Las reacciones tienden a velocidad cero. • La oxidación de lípidos es más rápida. • El crecimiento de microorganismos se dificulta.

32. Aw y conservación de los alimentos

33. Isotermas de Desorción e Histéresis

34. Isoterma de adsorción • Es la curva que indica la cantidad de agua retenida por un alimento en función de la humedad relativa de la atmósfera que le rodea. • Isoterma de desorción • Es única para un producto dado y una temperatura determinada, • No es superponible a la isoterma de adsorción; • En teoría las dos curvas deberían seguir el mismo trazado pero los experimentos permiten demostrar que no siempre ocurre así. • Ésta no coincidencia de las dos curvas se denomina Histéresis.

35. Las dos isotermas teóricas muestran que para cada valor de Aw o HR, entre los puntos A y B, hay dos valores de contenido de agua en el alimento: • Uno mayor para el secado. • Uno menor para la hidratación. • La diferencia entre los dos procesos se llama HISTERESE (retardo, tendencia a conservar sus propiedades), y se debe a la presencia de la monocapa. • ZONA 1 • El agua constituye la capa primaria, unida a grupos ionizables o fuertemente polares. • ZONA 1I • El agua puede actuar como solvente y su presión de vapor varia según la Ley de Rault. • ZONA 1II • Agua retirada de capilares, donde puede formar soluciones, también agua libre retenida mecánicamente.

36. Las isotermas se obtienen colocando un alimento en un recipiente cerrado y midiendo la presión de vapor de agua. También se puede obtener colocando varias muestras de un mismo alimento en varios recipientes cerrados, manteniéndolos con soluciones salinas o ácido sulfúrico de diversas concentraciones. • Las isotermas de adsorción y desorción se usan para: • Cálculo de Aw en mezclas con componentes de diferentes Aw • Estimación del peso y área de la capa primaria • Estudio del tipo de embalaje más adecuado ante la sorción de agua del alimento • Permiten prevenir el grado de deshidratación del alimento frente a cambios de temperatura ambiente o durante el almacenamiento.

37. Factores que influyen sobre las necesidades de Aw de los microorganismos • Tipo de soluto utilizado para reducir la Aw . • Algunos microorganismos (Ejmohos) la Awmínima de crecimiento es prácticamente independiente del tipo de soluto utilizado. • Otros microorganismos, sin embargo, cuando se utilizan determinados solutos, tienen valores de Aw limitante del crecimiento que son más bajos que cuando se utilizan otros. • El KCl, por ejemplo, suele ser menos tóxico que el NaCl y, éste, a su vez, tiene menor poder inhibidor que el sulfato sódico. • Valor nutritivo del medio de cultivo. • Cuanto más apropiado es el medio de cultivo para el crecimiento general del microorganismo, tanto menor es la Aw limitante del crecimiento. • Temperatura. • A temperaturas próximas a la temperatura óptima de crecimiento, la mayoría de los microorganismos tienen una tolerancia máxima a los valores bajos de la Aw.

38. Aporte de oxígeno. Cuando en el medio existe aire, la multiplicación de los microorganismos aerobios tiene lugar a valores de la Aw más bajos que, cuando en el mismo no existe aire, ocurriendo lo contrario cuando se trata de microorganismos anaerobios. • pH. A valores de pH próximos a la neutralidad, la mayoría de los microorganismos son más tolerantes a la escasa Aw , que cuando se encuentran en medios ácidos o básicos. • Inhibidores. La presencia de inhibidores reduce el intervalo de valores de Aw que permite la multiplicación de los microorganismos.

39. Métodos utilizados para regular la Aw • Estabilización con soluciones reguladores, • Determinación de la isoterma de adsorción del agua de los alimentos (Iglesias y Chirife, 1976), • Adición de solutos.

40. Técnicas utilizadas para medir o determinar el valor de la Awde los alimentos • la determinación del punto de congelación, • técnicas manométricas • empleo de aparatos eléctricos. • Se coloca la muestra en una pequeña cámara cerrada a una temperatura constante. • Se utiliza un sensor de humedad relativa para medir el % de humedad relativa en equilibrio que rodea a la muestra después del equilibrio.

41. La determinación del punto de congelación sólo se puede realizar cuando se trata de alimentos líquidos con valores de Awelevados. • Esta determinación se basa en la ecuación de Clausius-Clapeyron para soluciones diluidas (Strong y otros, 1970). La técnica manométrica que determina directamente la presión de vapor en la atmósfera que rodea al alimento se considera muy exacta. • Esta técnica y el aparato utilizado en la misma los describe con detalle Labuza (1974).

43. Fenómeno Ejemplos

44. Fenómeno

46. Papel del hielo en la estabilidad de los alimentos a temperaturas subcrioscopicas • La baja temperatura, y no el hielo, es quien contribuye en la conservación de los alimentos. • Consecuencias de la formación del hielo en alimentos celulares y geles alimenticios: • Los constituyentes no acuosos son concentrados en la fase no congelada. • Toda el agua convertida en hielo aumenta de volumen el 9%.