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1. Vistenos en: www.pearsoneducacion.net En esta nueva edicin de Qumica de los alimentos, totalmente ac- tualizada, participan prestigiosos investigadores-profesores de reconocidas instituciones educativas. Aunque se mantiene la estructura del libro, se han revisado, concienzudamente y de manera individual, cada uno de los componentes de los alimentos:agua,hidratos de carbono,protenas,lpidos,enzimas,vitaminas, nutrimentos inorgnicos, color y sabor, as como el estado de dispersin en el que se integran dichos componentes. Asimismo, se mantienen los temas referentes a la leche y a la soya, como ejemplos de aplicacin de los conceptos explicados en otras partes del libro. Adicionalmente, se han incluido dos captulos nuevos: uno sobre los txicos que se encuentran en los alimentos y los que se generan durante su procesamiento,y otro sobre los alimentos transgnicos, tema que en los ltimos aos ha tenido gran relevancia y que seguramente impactar fuertemente en todo lo relacionado con la tecnologa de los alimentos. Cuarta edicin Salvador Badui Dergal Badui Cuarta edicin Port 1 11/1/05 8:06 AM Page 1

2. Qumica de los alimentos Cuarta edicin

3. Qumica de los alimentos Cuarta edicin Salvador Badui Dergal Director Tcnico Grupo Herdez, S.A. de C.V. REVISIN TCNICA: Hctor Cejudo Gmez Coordinador de la licenciatura en Ingeniera de Alimentos Departamento de Ingeniera y Ciencias Qumicas Universidad Iberoamericana, campus Ciudad de Mxico Captulo 1 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 2 Dra. Sara Esther Valds Martnez Facultad de Estudios Superiores Cuautitln Universidad Nacional Autnoma de Mxico Captulo 3 Dra. Amanda Glvez Mariscal Dra. Idalia Flores Argello Dra. Amelia Farrs Gonzlez Saravia Departamento de Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico Captulo 4 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 5 Dra. Maricarmen Quirasco Baruch Departamento de Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico Dr. Agustn Lpez-Mungua Canales Instituto de Biotecnologa Universidad Nacional Autnoma de Mxico Captulo 6 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 7 Dra. Isabel Guerrero Legarreta Departamento de Biotecnologa Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa Dra. Elosa Lpez Hernndez Divisin Acadmica de Ciencias Agropecuarias Universidad Jurez Autnoma de Tabasco Dr. Roberto E. Armenta Lpez Food Technology Centre Charlottetown, Prince Edward Island, Canad Captulo 8 Dra. Edith Ponce Alquicira Departamento de Biotecnologa Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa Captulo 9 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 10 Dr. Jos Gerardo Montejano Gaitn Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Quertaro Captulo 11 Dr. Pedro Valle Vega Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico Captulo 12 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 13 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 14 Dra. Amanda Glvez Mariscal M. en C. Alejandra Barrios Prez Q.A. Ana Berenice de la Barrera Avils Departamento de Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico Con la colaboracin de:

4. Datos de catalogacin bibliogrfica BADUI DERGAL, SALVADOR Qumica de los alimentos. Cuarta edicin PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2006 ISBN: 970-26-0670-5 rea: Qumica Formato: 18.5 23.5 cm Pginas: 736 Editor: Enrique Quintanar Duarte e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Miguel B. Gutirrez Hernndez Supervisor de Produccin: Jos D. Hernndez Garduo Diseo de portada: Kariza, S.A. de C.V. CUARTA EDICIN, 2006 D.R. 2006 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500, 5 piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031. Addison Wesley es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes. ISBN 970-26-0670-5 Impreso en Mxico. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 09 08 07 06

5. Captulo 1 Agua 1 1.1 Introduccin 1 1.2 Fuentes de agua para el ser humano 2 1.3 Propiedades del agua 3 1.3.1 Propiedades fisicoqumicas 6 1.4 Estados fsicos del agua 9 1.5 Efecto de los solutos en el agua 11 1.6 Distribucin del agua en los alimentos 13 1.7 Actividad del agua 15 1.8 Determinacin de las curvas de adsorcin y desorcin 19 1.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 21 1.10 Alimentos de humedad intermedia 23 1.11 Congelamiento de los alimentos 25 1.12 El agua en la industria alimentaria 25 Referencias bibliogrficas 27 Captulo 2 Hidratos de carbono 29 2.1 Introduccin 29 2.2 Clasificacin y nomenclatura 30 2.3 Monosacridos 31 2.3.1 Distribucin en la naturaleza 32 2.3.2 Estructura qumica 34 2.4 Aminoazcares 37 2.5 Desoxiazcares 39 2.6 Azcares-alcoholes o polioles 40 2.7 Glucsidos 41 2.8 Oligosacridos 47 2.8.1 Sacarosa 48 2.8.2 Maltosa 52 2.8.3 Lactosa 53 2.8.4 Otros oligosacridos 53 2.9 Reacciones qumicas de los monosacridos 56 2.9.1 Por lcalis 56 2.9.2 Por cidos 57 2.9.3 Por altas temperaturas 57 v Contenido

6. 2.9.4 Otras reacciones 58 2.9.5 Reacciones de oscurecimiento o de empardeamiento 59 2.10 Tecnologa de los azcares 72 2.10.1 Conservacin 72 2.10.2 Cristalizacin 72 2.10.3 Hidratacin 73 2.10.4 Poder edulcorante 73 2.11 Polisacridos 75 2.11.1 Celulosa 78 2.11.2 Hemicelulosa 80 2.11.3 Almidn 81 2.11.4 Pectinas 92 2.11.5 Glucgeno 97 2.11.6 Gomas 97 2.11.7 Fructosanas 106 2.11.8 Otros polisacridos 106 2.12 Fibra 107 Referencias bibliogrficas 109 Captulo 3 Protenas 119 3.1 Introduccin 119 3.2 Aminocidos 121 3.2.1 Del gen a la protena 124 3.2.2 Esteroqumica de los a-Aminocidos 127 3.2.3 Clasificacin de los aminocidos 128 3.2.4 Reactividad qumica 129 3.2.5 Propiedades cido-base 130 3.3 Pptidos y enlace peptdico 132 3.3.1 Estabilidad y formacin del enlace peptdico 135 3.4 Deteccin y cuantificacin de aminocidos pptidos y protenas 138 3.4.1 Reacciones qumicas de los grupos funcionales de las protenas 142 3.5 Organizacin estructural 153 3.5.1 Estabilidad de la estructura protenica 153 3.5.2 Estructura primaria 154 3.5.3 Estructura secundaria 155 3.5.4 Estructura terciaria 161 3.5.5 Estructura cuaternaria 163 3.6 Desnaturalizacin 164 3.6.1 Termodinmica de la desnaturalizacin 165 3.6.2 Desnaturalizacin por cambios de temperatura 167 3.6.3 Desnaturalizacin por cambios de pH 170 3.6.4 Desnaturalizacin por urea y cloruro de guanidinio 170 3.6.5 Desnaturalizacin con detergentes 171 3.6.6 Desnaturalizacin con disolventes orgnicos 172 3.6.7 Efecto de la adicin de sales en la solubilidad de las protenas 173 3.6.8 Inactivacin mecnica 176 3.6.9 Protelisis 176 vi Contenido

7. 3.7 Modificaciones qumicas 176 3.7.1 Tratamientos trmicos moderados 177 3.7.2 Pirlisis 177 3.7.3 Racemizacin y formacin de aminocidos modificados 178 3.7.4 Entrecruzamientos 180 3.7.5 Reacciones de las protenas con agentes oxidantes 182 3.7.6 Reacciones con nitritos 184 3.7.7 Reacciones con sulfitos 184 3.7.8 Reacciones carbonil amino 184 3.7.9 Formacin de acrilamida en altas temperaturas 185 3.7.10 Prdida de aminocidos por fraccionamiento (fraccionacin) 186 3.8 Propiedades funcionales de las protenas 187 3.8.1 Propiedades de hidratacin 190 3.8.2 Propiedades interfaciales de las protenas 194 3.8.3 Unin de sabores 201 3.8.4 Viscosidad 202 3.8.5 Gelacin 203 3.9 Propiedades nutricionales 205 3.9.1 Evaluacin de la calidad protenica 206 3.10 Protenas de algunos alimentos 209 3.10.1 Protenas del huevo 210 3.10.2 Protenas de la carne 213 3.10.3 Gelatina 217 3.10.4 Protenas de pescado: surimi, hidrolizados de pescado 217 3.10.5 Protenas lcteas 220 3.10.6 Protenas vegetales 222 3.10.7 Protenas de cereales 224 3.10.8 Protenas edulcorantes 232 3.10.9 Pptidos de importancia en el campo de alimentos 233 3.10.10 Protena microbiana 235 Referencias bibliogrficas 236 Captulo 4 Lpidos 245 4.1 Introduccin 245 4.2 Clasificacin 246 4.2.1 cidos grasos 248 4.2.2 Acilglicridos 253 4.2.3 Fosfoglicridos 258 4.2.4 Ceras 260 4.2.5 Esteroles 260 4.3 Anlisis fsicos y qumicos 262 4.3.1 ndices 262 4.3.2 Otros anlisis 262 4.4 Manufactura de grasas y aceites 265 4.4.1 Desgomado 267 4.4.2 Neutralizacin 267 Contenido vii

8. 4.4.3 Decoloracin 268 4.4.4 Desodorizacin 268 4.4.5 Hibernacin 269 4.5 Procesos de modificacin de grasas y aceites 269 4.5.1 Hidrogenacin 269 4.5.2 Interesterificacin 274 4.5.3 Fraccionamiento 276 4.6 Sistemas grasos en alimentos 277 4.6.1 Margarina 277 4.6.2 Mantecas vegetales 279 4.6.3 Mantequilla 279 4.6.4 Grasas para alimentos infantiles 279 4.6.5 Helados 279 4.6.6 Mayonesa y aderezos 280 4.6.7 Sustitutos de la manteca de cacao 281 4.6.8 Fredo 281 4.7 Deterioro de los lpidos 282 4.7.1 Liplisis 283 4.7.2 Autoxidacin 283 4.7.3 Reversin 288 4.7.4 Radilisis 289 4.7.5 Antioxidantes 289 4.8 Determinacin de la oxidacin 293 4.8.1 Evaluacin sensorial 293 4.8.2 ndice de perxido 294 4.8.3 Mtodo del cido tiobarbitrico (TBA) 294 4.8.4 Mtodo del oxgeno activo (AOM, Active Oxygen Method) 294 4.8.5 Mtodo de la bomba de oxgeno 295 4.8.6 Mtodo de incubacin en estufa 295 4.8.7 Otros mtodos 295 4.9 Aspectos nutricionales 295 Referencias bibliogrficas 297 Captulo 5 Enzimas 301 5.1 Introduccin 301 5.2 Nomenclatura 303 5.3 Las enzimas como catalizadores 304 5.4 Especificidad 306 5.5 Sitio activo 308 5.6 Factores que afectan la velocidad de las reacciones enzimticas 310 5.6.1 Efecto del pH 310 5.6.2 Efecto de la temperatura 311 5.6.3 Efecto de la concentracin de sustrato 314 5.6.4 Efecto de la actividad del agua 315 5.6.5 Efecto de otros agentes en la actividad enzimtica 315 5.7 Cintica de las reacciones enzimticas 316 viii Contenido

9. 5.8 Cuantificacin de actividad enzimtica 319 5.9 Uso industrial de las enzimas 320 5.10 Revisin de enzimas de importancia en alimentos 323 5.10.1 Carbohidrasas 323 5.10.2 Proteasas 335 5.10.3 Lipasas 339 5.10.4 Oxidorreductasas 341 5.10.5 Transferasas 349 5.10.6 Isomerasas 351 5.11 Procesos de inters en alimentos con enzimas o clulas inmovilizadas 353 5.12 Anlisis qumico con enzimas 355 5.13 Las enzimas como indicadores de calidad de alimentos 357 5.14 Tecnologa de ADN recombinante aplicada a la produccin y modificacin de enzimas de inters en alimentos 357 Referencias bibliogrficas 361 Captulo 6 Vitaminas y nutrimentos inorgnicos 363 6.1 Introduccin 363 6.2 Contenido de vitaminas en los alimentos 366 6.3 Vitaminas liposolubles 368 6.3.1 Vitamina A 370 6.3.2 Vitamina D 372 6.3.3 Vitamina E 373 6.3.4 Vitamina K 375 6.4 Vitaminas hidrosolubles 376 6.4.1 Tiamina (B1) 377 6.4.2 Riboflavina (B2) 379 6.4.3 Vitamina B6 381 6.4.4 Vitamina B12 382 6.4.5 Biotina 384 6.4.6 Folatos 385 6.4.7 Niacina 386 6.4.8 cido pantotnico 387 6.4.9 Vitamina C 387 6.5 Resumen de la estabilidad de las vitaminas 391 6.6 Nutrimentos inorgnicos 395 6.6.1 Calcio 396 6.6.2 Fsforo 397 6.6.3 Hierro 397 6.6.4 Otros elementos 398 Referencias bibliogrficas 398 Captulo 7 Pigmentos 401 7.1 Introduccin 401 7.2 Pigmentos sintticos y naturales 402 Contenido ix

10. 7.3 Carotenoides 406 7.3.1 Estructura y caractersticas qumicas 407 7.3.2 Carotenoides en alimentos 407 7.3.3 Obtencin 410 7.3.4 Estabilidad 411 7.3.5 Usos 412 7.3.6 Carotenoides en la salud humana 412 7.4 Clorofilas 413 7.4.1 Estructura 414 7.4.2 Efecto del procesamiento 415 7.5 Pigmentos fenlicos 417 7.5.1 Flavonoides 417 7.5.2 Antocianinas 420 7.5.3 Taninos 427 7.6 Betalainas 429 7.6.1 Estructura 430 7.6.2 Estabilidad 431 7.7 Hemopigmentos 432 7.7.1 Estructura 433 7.7.2 Color en carne fresca 434 7.7.3 Color de carne curada 436 7.8 Otros pigmentos naturales 436 7.8.1 Crcuma 436 7.8.2 cido carmnico 436 7.8.3 Quinonas 436 7.8.4 Xantonas 437 7.8.5 Color caramelo 438 7.8.6 Gluconato ferroso 438 7.9 Anlisis de pigmentos y de color 438 Referencias bibliogrficas 439 Captulo 8 Aroma y sabor 445 8.1 Introduccin 445 8.2 Sabor 446 8.2.1 Sabor dulce 448 8.2.2 Sabor amargo 452 8.2.3 Sabor salado 452 8.2.4 Sabor cido 453 8.2.5 Umami 453 8.2.6 Fenmenos de percepcin asociados con los sabores bsicos 453 8.3 Aromas 454 8.4 Aspectos fisicoqumicos en la percepcin del sabor y del aroma 457 8.4.1 Proceso de masticacin 457 8.4.2 Efecto de macromolculas en la percepcin del sabor 459 x Contenido

11. 8.5 Mecanismos de la generacin de aromas y sabores 461 8.5.1 Biosntesis 463 8.5.2 Generacin de aromas por el efecto de tratamiento trmico 480 8.6 Precursores y desarrollo de aroma y sabor en alimentos 493 8.6.1 Carne y productos crnicos 493 8.6.2 Leche y productos lcteos 494 8.6.3 Bebidas alcohlicas 495 8.7 Anlisis de compuestos de aroma y sabor 496 8.7.1 Extraccin de compuestos del aroma y sabor 498 8.7.2 Identificacin de compuestos del aroma y sabor 499 Referencias bibliogrficas 503 Captulo 9 Aditivos 507 9.1 Introduccin 507 9.2 Aspectos legales 509 9.3 Conservadores 510 9.3.1 cido benzoico y benzoatos 511 9.3.2 cido srbico y sorbatos 512 9.3.3 cido actico y acetatos 512 9.3.4 Parabenos 512 9.3.5 cido propinico y propionatos 513 9.3.6 Sulfitos y dixido de azufre 513 9.3.7 Nitritos y nitratos 514 9.3.8 Antibiticos 515 9.3.9 Pirocarbonato de dietilo 517 9.3.10 Epxidos 517 9.3.11 Otros conservadores 518 9.4 Emulsionantes 518 9.5 Polioles o polialcoholes 521 9.6 Potenciadores del sabor 522 9.7 Acidulantes, alcalinizantes y reguladores de pH 524 9.8 Secuestradores o quelantes 527 9.9 Edulcorantes 528 9.10 Gasificantes para panificacin 532 9.11 Acondicionadores de panificacin 533 9.12 Antiaglomerantes 535 9.13 Antiespumantes 535 9.14 Colorantes 536 9.15 Clarificantes 539 9.16 Sustancias para masticar 540 9.17 Humectantes 540 9.18 Sustitutos de grasas 540 9.19 Nutrimentos 541 9.20 Saborizantes, saboreadores o aromatizantes 542 9.21 Otros aditivos 543 Referencias bibliogrficas 543 Contenido xi

12. Captulo 10 Estado de dispersin 547 10.1 Introduccin 547 10.2 Clasificacin de los coloides 549 10.3 Estabilidad de los coloides 552 10.4 Soles 553 10.4.1 Propiedades reolgicas de los soles 554 10.5 Geles 556 10.6 Espumas 558 10.7 Emulsiones 560 Referencias bibliogrficas 563 Captulo 11 Txicos presentes en los alimentos 565 11.1 Introduccin 565 11.2 Leguminosas 566 11.2.1 Glucsidos cianognicos 567 11.2.2 Promotores de flatulencia 568 11.2.3 Inhibidores de proteasas como la tripsina 568 11.2.4 Fitohemaglutininas 570 11.2.5 Saponinas 570 11.2.6 Favismo 570 11.3 Cereales 571 11.3.1 Toxinas producidas por hongos (micotoxinas) 571 11.3.2 cido ftico 577 11.4 Inhibidores de amilasas 578 11.5 Bebidas estimulantes 578 11.6 Pptidos, protenas y aminocidos txicos 579 11.6.1 Amatoxina y falotoxina 579 11.6.2 Islanditoxina 580 11.6.3 Toxina botulnica 581 11.6.4 Toxinas de Staphilococcus sp. 581 11.6.5 Selenoaminocidos 581 11.6.6 Canavanina 582 11.6.7 Mimosina 582 11.7 Gosipol 583 11.8 Capsaicina 583 11.9 Solanina y chaconina 583 11.10 Sustancias promotoras de bocio 584 11.11 Toxinas en mariscos y peces 586 11.11.1 Saxitoxina 586 11.11.2 Tetradoxina 586 11.12 Antivitaminas 587 11.13 Txicos presentes en la miel de abeja 588 11.14 Compuestos txicos generados por proceso 590 11.14.1 Compuestos producidos por altas temperaturas 591 xii Contenido

13. 11.15 Racemizacin de aminocidos y formacin de isopptidos 596 11.16 Formacin de aminas bigenas 597 11.17 Fumigantes y disolventes 597 11.18 Comentarios 598 Referencias bibliogrficas 598 Captulo 12 Leche 603 12.1 Introduccin 603 12.2 Composicin de la leche 604 12.2.1 Lpidos 605 12.2.2 Lactosa 608 12.2.3 Protenas 609 12.2.4 Enzimas 615 12.2.5 Vitaminas 616 12.2.6 Sales y nutrimentos inorgnicos 617 12.3 Propiedades fsicas de la leche 617 12.4 Estado de dispersin de la leche 618 12.4.1 Fase miscelar 619 12.4.2 Fase lipdica 620 12.5 Productos lcteos 621 12.5.1 Leche pasteurizada, ultrapasteurizada y esterilizada 621 12.5.2 Quesos 626 12.5.3 Yogurt 628 12.5.4 Otros productos lcteos 628 Referencias bibliogrficas 629 Captulo 13 Soya 633 13.1 Introduccin 633 13.2 Protenas de la soya 635 13.3 Formas comerciales de la soya 637 13.3.1 Harinas 638 13.3.2 Concentrados 640 13.3.3 Aislados 642 13.4 Propiedades funcionales 644 13.4.1 Modificaciones de las protenas 646 13.5 Factores antifisiolgicos 646 13.6 Soya y nutricin 647 13.7 Mejora gentica de la soya 648 Referencias bibliogrficas 649 Captulo 14 Alimentos transgnicos 651 14.1 Ingeniera gentica y alimentos 651 14.2 Principales mtodos para la transferencia de genes 657 Contenido xiii

14. 14.3 Modificaciones genticas ms utilizadas para la produccin de alimentos 659 14.3.1 Caracteres de inters ms utilizados 659 14.4 FlavrSavr el primer alimento GM 662 14.5 Los OGMs comerciales para alimentacin 663 14.5.1 Granos a granel 663 14.5.2 Variedades comerciales de menor volumen y movimiento 665 14.6 Microorganismos GM para la produccin de enzimas auxiliares de proceso 666 14.7 OGMs de segunda generacin 668 14.7.1 Plantas que producen aceites modificados 671 14.7.2 Papas GM 676 14.8 OGMs de tercera generacin 679 14.9 Animales domsticos GM 682 14.9.1 Peces 682 14.9.2 Ganado y aves de corral 683 14.10 Modificaciones de inters para productores y para el consumidor 683 14.11 Posibles impactos en la salud humana y anlisis de riesgo 684 Referencias bibliogrficas 688 Anexo I 693 ndice 703 xiv Contenido

15. Desde sus inicios, la humanidad ha sustentado una lucha continua contra el hambre, que es y seguir siendo uno de sus principales enemigos. Sin embargo, la importancia de la tecnologa de los alimentos fue reconocida muy recientemente, y apenas hace unos 20 aos se manifiesta en todo el mundo una verdadera preocupacin por la implantacin de nuevas metodologas para la produccin, el procesamiento y la conservacin de productos alimenticios. La ciencia y la tecnologa de los alimentos surgen como una necesidad imperiosa de formar individuos calificados, capaces de entender y resolver los diferentes problemas que se presentan en esta rea tan prioritaria de desarrollo; una caracterstica comn a todos ellos es su conocimiento de la qumica de los alimentos, que est de alguna manera relacionada con todos los productos que ingerimos. Los orgenes de la qumica de los alimentos se pierden en la historia de la humanidad. No se po- dra definir con exactitud una fecha de sus comienzos debido a que estn ntimamente ligados a los descubrimientos cientficos y tecnolgicos que se efectuaron en otras reas. Muchas de las tcnicas de obtencin y procesamiento de alimentos que actualmente se emplean provienen de civilizaciones como la egipcia, la griega, la romana, la azteca u otras ms antiguas. El fue- go y el humo, el aceite y el vinagre, la fermentacin, la sal, la cera y la miel eran utilizados por estos pueblos para la preparacin y la conservacin de sus alimentos, y su uso fue transmitido de generacin en generacin hasta llegar a nuestros das. Aunque es probable que muchos de esos procesos hayan sido descubiertos por casualidad, o bien a travs de continuas pruebas de ensayo y error, el hecho es que cada civilizacin ha contribuido en algo al desarrollo de nuestra actual tecnologa alimentaria. Mucho ms recientemente, en el siglo XIX, se produjo una serie de cambios cientficos muy importantes: la qumica se consolid como ciencia y se hicieron distinciones entre los materiales inorgnicos y los orgnicos. La biologa dio un paso decisivo al establecer los principios celulares que ayudaran a entender mejor los mecanismos de sobreviviencia de las clulas. En las ltimas dcadas han aumentado en forma muy considerable nuestros conocimientos sobre bioqumica; el descubri- miento de las rutas metablicas utilizadas por las clulas, tanto de animales como de vegetales, ha hecho que con base en la bioqumica hayan nacido otras ciencias, como la enzimologa, que tiene una gran importancia en alimentos. Los conocimientos cientficos y tecnolgicos con los que actualmente contamos son extraordi- nariamente amplios y profundos comparados con los que tenan los tcnicos en alimentos de hace tan slo 20 o 30 aos. Cada uno de los diferentes componentes de los alimentos ha creado toda una rea especializada de estudios; as por ejemplo existe personal altamente calificado que trabaja sobre ciertos aspectos de las protenas, de los hidratos de carbono, de los lpidos, o de los sabores de los alimentos. Cada vez la especializacin es ms necesaria, ya que el cmulo de conocimientos aumenta diariamente. La qumica de los alimentos est directamente relacionada con todas las transformaciones que sufren stos a lo largo de las manipulaciones a las que estn sujetos. Es una ciencia que cada da va adquiriendo mayor importancia puesto que representa la estructura bsica del conocimiento en el que se apoyan todas las tecnologas relacionadas con los alimentos. Introduccin xv

16. Desde 1993, ao de la edicin anterior del presente libro, han tenido lugar numerosos avances, tanto tcnicos como cientficos, en los distintos aspectos que se cubren en la tecnologa de los alimentos y, particularmente, de la qumica. Durante este tiempo transcurrido se profundiz y se enriquecieron muchos de los conceptos clsicos, mientras que surgieron otros y unos ms se eliminaron; se desa- rroll una gama ms amplia de aditivos para uso de la industria; y algunos, prohibidos en el pasado, ahora son aceptados; nacieron los alimentos funcionales, los prebiticos y los probiticos; se identifi- caron y aislaron nuevos componentes de los distintos productos de origen vegetal y animal; algunos estudios sobre toxicidad se revocaron y fueron reemplazados por otros efectuados con procedimien- tos ms confiables; la ingeniera gentica se consolid y se establecieron formas novedosas de producir y modificar la composicin qumica de diversos cultivos; la soya pas de ser una semilla para la elaboracin de piensos a un producto recomendado por la Food and Drug Administration, de los Estados Unidos, para la prevencin de algunos problemas de salud; se generaliz la produccin y aplicacin de un mayor nmero de enzimas comerciales; se establecieron nuevas recomendaciones para una dieta ms saludable; amn de muchos otros cambios debido a distintas necesidades y formas de preparar y consumir los alimentos, aunado a un mayor entendimiento y exigencia del consumidor sobre los productos que ingiere. Esto tambin se ha reflejado en la modificacin y adecuacin de diversas legislaciones en el mundo que promueven una mayor informacin al pblico. En general, en la actualidad se cuenta con conocimientos ms amplios y profundos sobre este tema que los que se tenan hace tan slo un poco ms de una dcada; e igual sucede con reas afines, como la bioqumica y la microbiologa, disciplinas estrechamente relacionadas con los temas de este texto. Los diversos mtodos de anlisis instrumental cualitativo y cuantitativo se han perfeccionado y ahora se cuenta con una mayor sensibilidad y certeza en los resultados; esto ha provocado que varios postulados de hace algunos aos hayan sido modificados al encontrarse nueva evidencia soportada por estudios ms confiables; por lo que en ciertos casos, lo que ayer era aceptado por la comunidad cientfica, ahora solamente forma parte del pasado. Todos estos motivos, obligaron a actualizar la presente obra, aun cuando se mantiene su estructura original basada en el estudio individual de cada uno de los componentes de los alimentos: agua, hidratos de carbono, protenas, lpidos, enzimas, vitaminas, nutrimentos inorgnicos y los responsables del color y del sabor, as como el estado de dispersin en que se encuentran dichos componentes in- tegrando los distintos alimentos. Se mantienen las secciones dedicadas al estudio de la leche y de la soya, como ejemplos de aplicacin de los conceptos explicados en otros captulos. Como una aportacin muy valiosa, y complementaria, se incluye un captulo dedicado al tema de la toxicologa de los compuestos inherentes a los alimentos, y los que se generan durante su procesamiento; as como otro relacionado con los alimentos transgnicos y la ingeniera gentica aplicada a la modificacin de diversos productos alimenticios. Este segundo tema es de gran relevancia puesto que en un futuro prximo se podrn disear alimentos para necesidades muy especficas, con lo cual se modificar la qumica tradicional de los mismos. Prlogo xvii

17. En la actualizacin de esta nueva edicin participan prestigiosos investigadores-profesores de reconocidas instituciones de educacin de nuestro pas, sin cuyo esfuerzo no hubiera sido posible la integracin de este nuevo texto. Se han conservado varios cuadros y figuras, pero otros ms novedosos se han incluido con el fin de facilitar la lectura y la comprensin del texto. En lo que se refiere a la bibliografa, se mantiene aquella que es vlida hasta el da de hoy, pero tambin se incluye toda la que se emple para actualizar esta obra. Consideramos que el presente libro, diseado para emplearse en las distintas licenciaturas relacionadas con la tecnologa de los alimentos, contribuir al mejor entendimiento de los aspectos que integran la qumica de los alimentos. Salvador Badui Dergal xviii Prlogo

18. INTRODUCCIN En muchas ocasiones, al agua no se le considera un nutrimento porque no sufre cambios qumicos durante su aprovechamiento biolgico; pero es un hecho que sin ella no pueden llevarse a cabo las innumerables transformaciones bioqumicas propias de todas las clulas activas: desde una sencilla bacteria hasta el complejo sistema del organismo del hombre. Esto es tan cierto que existen teoras que consideran que la vida en nuestro planeta se origin gracias a la presencia de este compues- to que permanece lquido en un intervalo de temperatura relativamente amplio. Tiene un gran nmero de funciones biolgicas basadas en su capacidad fsica para transportar sustancias, disolver otras y mantenerlas tanto en solucin como en suspensin coloidal y tambin en su reactividad qumica, al intervenir en la fotosntesis y en muchas reacciones 1 Captulo Agua 1 1.1 Introduccin 1.2 Fuentes de agua para el ser humano 1.3 Propiedades del agua 1.4 Estados fsicos del agua 1.5 Efecto de los solutos en el agua 1.6 Distribucin del agua en los alimentos 1.7 Actividad del agua 1.8 Determinacin de las curvas de adsorcin y de desorcin 1.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 1.10 Alimentos de humedad intermedia 1.11 Congelamiento de los alimentos 1.12 El agua en la industria alimentaria Referencias bibliogrficas 1.1 Salvador Badui Dergal

19. 2 Agua enzimticas de hidrlisis; es decir, participa activamente en la sntesis de hidratos de carbono a par- tir de CO2, fundamental en la vida de este planeta, y en la conversin de diversos materiales complejos (polisacridos, protenas, grasas, etctera) a formas ms sencillas y asimilables para las plantas y los animales.2 Muchas de las macromolculas de inters biolgico, como las enzimas y los cidos nucleicos, se vuelven activas slo cuando adquieren sus correspondientes estructuras secundaria, terciaria, etctera, gracias a la interaccin que establecen con el agua. Es decir, las clulas animales y vegetales, as como los microorganismos, slo pueden desarrollarse si encuentran las condiciones adecuadas en un medio en el que el contenido de agua es fundamental. Es, por mucho, el principal constituyente de todos los tejidos vivos, ya que representa generalmente al menos el 60% de su composicin. En los alimentos se encuentra hasta en un 96-97%, como es el caso de algunas frutas en las que es un factor fundamental de la frescura; incluso, muchos deshidratados que en apariencia son totalmente secos, contienen un 10-12% de ella y slo en la sal comn y en el azcar de mesa no existe. El agua influye en las propiedades de los alimentos y, a su vez, los componentes de los alimentos influyen en las propiedades del agua que ms adelante se mencionan.8 Para el tecnlogo es muy importante conocer su comportamiento en los tres estados fsicos, l- quido, hielo y vapor; desde el punto de vista de la ingeniera, sus propiedades fisicoqumicas (calor de vaporizacin, calor especfico, etctera) influyen en el diseo de los procesos para manejar y transformar los alimentos; su influencia es decisiva para obtener deshidratados con buena aceptacin; en la rehidratacin y el congelamiento es preciso comprender la manera como se comporta, tanto en su forma lquida como en el hielo, para evitar posibles daos. Para conservar los alimentos es necesario determinar su influencia en el crecimiento microbiano y en las distintas reacciones fsicas, qumicas y enzimticas negativas que se estudian en otros captulos de este texto; por mucho, el enemigo a vencer son los diversos microorganismos, hongos, levaduras y bacterias, los cuales son controlados si se les restringe el agua disponible (actividad del agua) para evitar su crecimiento, con procesos como concentracin, deshidratacin, congelamiento, liofilizacin, salado y azucarado (estos dos ltimos por aumento de la presin osmtica). FUENTES DE AGUA PARA EL SER HUMANO Entre el 60 y 70% del cuerpo humano es agua, aun cuando hay ciertos tejidos como huesos, cabe- llos y dientes que la contienen escasamente. Es un disolvente lquido inerte, de pH neutro, que sirve de transporte en la sangre y la linfa, y que regula la temperatura corporal; el organismo la pierde con- tinuamente por el sudor, la orina, la respiracin y las heces, y requiere un mnimo aproximado de 2,500 mL diarios (depende de la edad, sexo, actividad fsica, etctera) para llevar a cabo adecuada- mente innumerables reacciones propias de las distintas funciones biolgicas; el cuadro 1.1 muestra un balance aproximado del agua consumida y eliminada por un hombre durante un da. La fuente ms importante es la ingesta de lquidos, pero tambin se adquiere de diferentes alimentos, como los vegetales abundantes en agua, la leche, que tiene un 87%, de los huevos con un 74% y del pan, que con aproximadamente 40% es uno de los alimentos ms comunes y con menor cantidad de ella (cuadro 1.2). 1.2

20. 1.3 Propiedades del agua 3 CUADRO 1.1 Balance de agua en el ser humano Agua ingerida Agua perdida (mLl/da) Fuente (mL/da) Medio 850 Alimentos 1,400 Orina 1,300 Bebidas 400 Pulmones 350 Oxidacin de 500 Piel nutrimentos 200 Heces 2,500 2,500 CUADRO 1.2 Contenido aproximado de agua de algunos alimentos (%) Lechuga, esprrago, coliflor 95 Brcoli, zanahoria 90 Manzana, durazno, naranja 88 Leche 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 Otra fuente, de menor importancia, se origina en el propio cuerpo debido a reacciones metablicas: la oxidacin de una molcula de glucosa genera seis de H2O, que equivalen a 0.6 g por gramo de monosacrido: C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O. Adems de los hidratos de carbono, tambin se obtienen 1.1 g y 0.4 g de agua por gramo de lpido y de protena, respectivamente; una dieta cuya oxidacin de glucosa y lpidos produzca 2,000 kcal por da, generar 300 mL de agua, aproximadamente. PROPIEDADES DEL AGUA Su molcula est constituida por dos tomos de hidrgeno unidos en forma covalente a uno de oxgeno, es altamente polar, no es lineal y crea estructuras tridimensionales debido a la hibridacin de las rbitas moleculares s y p del oxgeno; las 1s del hidrgeno comparten dos electrones con las h- 1.3

21. bridas sp3 del oxgeno. A su vez, este elemento tiene un par de electrones libres considerados como dos fuerzas separadas, que junto con los dos enlaces covalentes, establece una molcula con una forma imaginaria de tetraedro (figura 1.1). 4 Agua (+) (+) (+)(+) (+) (+) 2() () () () () (a) (b) (c) 0.14 nm 0.12 nm 0.33 nmH 0.096 nm O 104.5 H H H H O 104.5 direccin del momento dipolar Figura 1.1 Representacin esquemtica de la molcula de agua: (a) y (b) estructura tetradrica imaginaria formada por las rbitas sp3 del oxgeno, y (c) dimensiones de la molcula de agua.11

22. Mediante diversos estudios de espectroscopia, rayos X, resonancia magntica nuclear, difraccin, infrarrojo, radiactividad, etctera, se han determinado las dimensiones, as como algunas caractersticas de la molcula del agua. Por ejemplo, en la figura 1.1 se observa que los radios de Van der Waals del hidrgeno y del oxgeno son de 0.12 nm (1.2 ) y 0.14 nm, respectivamente; que la longitud del enlace covalente es de 0.096 nm y que el ngulo formado es de 104.5. En el agua existe una diferencia de electronegatividades que se debe precisamente a que el oxgeno tiene un gran poder de atraccin por los electrones de los dos hidrgenos, lo que ocasiona que stos desarrollen una carga parcial positiva d() temporal, y que el tomo de oxgeno desarrolle una carga parcial doble negativa 2 d() temporal; esto hace que se produzca un momento dipolar muy fuerte, cuya direccin se observa en la figura 1.1. Es decir, esta molcula no tiene una carga determinada, pero s un dipolo elctrico potente que le permite crear puentes de hidrgeno estables con otras molculas iguales o diferentes, pero de naturaleza polar. El momento dipolar que se establece, se observa como una orientacin de la molcula en un campo elctrico con la parte negativa hacia el nodo y la positiva hacia el ctodo. El puente de hidrgeno no es un enlace qumico propiamente, sino una atraccin electrosttica que se produce cuando dos tomos negativos de compuestos polares se unen mediante uno de hidrgeno, de tal manera que solamente participan los elementos ms electronegativos, como nitrgeno, flor y oxgeno (figura 1.2). Esta atraccin electrosttica es muy dbil (20 kJ/mol o 4.7 kcal/mol), comparada con el enlace covalente (400 kJ/mol o 95 kcal/mol), y su vida media es de 1011 segun- dos; sin embargo, como todas las molculas de agua tienen la capacidad de establecerla en un determinado momento, en conjunto representan una gran fuerza. Tanto el nmero de estas uniones como la longitud del puente de hidrgeno entre molculas vecinas (p. ej. 0.276 nm o 2.76 , 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 interaccionan ms molculas a una menor distancia, y alcanza un mximo a 3.98C. 1.3 Propiedades del agua 5 O O O O O O H H H H O H H H H H H H H H H (4) (1) (2) (3) (a) (b) 0.276nm 0.177nm (c) Puentes de hidrgeno Molcula de agua Figura 1.2 Puentes de hidrgeno entre molculas de agua: (a) las molculas 1, 2 y la central se hallan en el plano del papel; la 3 se encuentra por encima de l, y la 4 detrs del plano;27 (b) interaccin de molculas de agua a travs de puentes de hidrgeno, y (c) los puentes de hidrgeno entre molculas de agua producen una estructura imaginaria tetradrica con el oxgeno al centro.

23. Debido a sus cargas parciales, la molcula de agua tiene dos sitios receptores y dos donadores de electrones, por lo que su interaccin mediante puentes de hidrgeno crea grandes estructuras tridimensionales estables en el hielo y en el agua lquida, responsables de sus propiedades fsicas tan peculiares que ms adelante se mencionan. Las molculas como NH3, que no tienen igual nmero de receptores y de donadores (1 y 3, respectivamente), slo forman estructuras bidimensionales y no tridimensionales. Cabe sealar que los puentes de hidrgeno no slo se inducen en el agua, sino en cualquier sustancia que tenga caractersticas polares, como son las protenas y los hidratos de carbono, gracias a sus diversos grupos hidrfilos (figura 1.3). Mediante este mecanismo, los polmeros y algunos compuestos de bajo peso molecular retienen agua y le confieren a los alimentos propiedades reolgicas muy particulares. Las temperaturas bajas favorecen la formacin de puentes de hidrgeno, mientras que las altas los destruyen; se considera que en el hielo, el 100% de las molculas establecen puentes de hidrgeno, y que en el vapor este porcentaje es cero. La funcin biolgica del hombre se efecta alrededor de los 37C, temperatura en la que se produce un 35-45% de los puentes de hidrgeno; por lo tanto, debe existir alguna relacin entre la estructura del agua en estas condiciones y la facilidad para que se lleven a cabo las reacciones que sustentan la vida. 6 Agua C O S O O O O O O H H H H H H H H H H H H H OH NH C = O Figura 1.3 Formacin de puentes de hidrgeno con diversos grupos funcionales de los hidratos de carbono, de las protenas y de los cidos grasos. 1.3.1 Propiedades fisicoqumicas Debido a la formacin de estructuras tridimensionales mediante puentes de hidrgeno, el agua muestra propiedades muy particulares que resaltan an ms al compararlas con hidruros del mismo grupo de la tabla peridica a la que pertenece el oxgeno. Por ejemplo, H2O, H2S, H2Se y H2Te, tienen puntos de ebullicin de 100, 61, 42 y 2 (C), respectivamente; el agua, con el menor peso molecular, presenta valores de puntos de fusin y de ebullicin que no corresponden a la serie, y que son muy superiores a los del resto del grupo. Si se siguiera una relacin matemtica de acuerdo con los pesos moleculares, el agua tendra que fundir a 150C y hervir a 80C, por lo que en las condiciones ambientales normales sera un gas. No lo es, precisamente por una fuerte cohesin interna debida a los puentes de hidrgeno; de los cuatro hidruros, el del oxgeno es el nico que se encuentra en estado lquido a la temperatura en que se desarrolla la vida (10-50C, aproximadamente) en nuestro planeta.

24. El calor de vaporizacin, el calor especfico, su conductividad, sus propiedades dielctricas, etctera, son por mucho muy peculiares y muy distintas a las de molculas semejantes. Por ejemplo, su elevado calor latente de vaporizacin (2,260 kJ/g o 539 kcal/g), representa la energa necesaria para transformar un kilogramo de agua lquida en vapor a 100C, y la que se requiere para romper las fuerzas atractivas, de tal manera que las molculas individualmente puedan escapar y pasar a la fase gaseosa. A manera de comparacin y para entender mejor este valor, cabe sealar que el metanol, el etanol, la acetona y el cloroformo (todos disolventes orgnicos comunes), presentan calores de vaporizacin inferiores: 263, 205, 125 y 59 kcal/g, respectivamente. El alto valor indica que se necesita mucha energa para vaporizar un poco de agua (como en la deshidratacin de alimentos), o que la vaporizacin de pequeas cantidades de ella es suficiente para sustraer mucho calor; esto explica por qu la vaporizacin del sudor es responsable de la mayor parte del calor perdido por un organismo. El proceso inverso al de la vaporacin, la condensacin, es exotrmico y libera una cantidad semejante de calor, caracterstica que se aprovecha para calentar los alimentos en los procesos de esterilizacin de enlatados. Por otra parte, es necesario disipar 333.7 kJ/g o 79.7 kcal/g (calor latente de fusin), para cam- biar el agua lquida a hielo a 0C; esta propiedad se hace patente cuando se enfran las bebidas con hielo, ya que a medida que este se funde, sustrae mucha cantidad de energa del lquido. Como vapor, el agua sigue la ley de los gases ideales, PV = nRT (P, presin; V, volumen, n, nmero de molculas, R, constante y T, temperatura), que muestra la relacin de la presin y la temperatura; una aplicacin de este principio es con el enlatado de los alimentos no cidos, cuyo calentamiento externo causa que la presin interna se incremente y, en consecuencia, su temperatura alcance la esterilizacin comercial a 121C (250F). El alto calor especfico del agua (4.186 kJ/gK o 1 cal/gC a 20C) indica la necesidad de aplicar mucha energa para incrementar su temperatura, ya que una buena proporcin se consume en vi- brar la molcula debido a su gran momento dipolar y a romper los puentes de hidrgeno, pero no a calentarla. Cuando se suministra energa trmica a los lquidos en los que no existen puentes de hidrgeno, la cintica de las molculas aumenta fcilmente, y por tanto, la temperatura. Por esta razn, el agua es menos efectiva como medio de calentamiento que los aceites de cocina, que adems de te- ner un calor especfico menor de 1.97 kJ/gK o 0.47 kcal/gC, pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100C (necesarias para el fredo), que es la mxima que se alcanza con el agua lquida a presin atmosfrica. Otra implicacin del alto valor de este parmetro se da en la regulacin 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 forma semejante, tambin hace que los mares y los ocanos acten como reguladores trmicos de nuestro planeta. Su gran dipolo es fundamental para calentar los alimentos en microondas (915-2,450 MHZ) ya que, al producir una oscilacin y friccin permanente en las molculas, se induce un aumento de la temperatura. La ionizacin del agua pura es mnima, pero influye en la formacin del H3O+ causada por la adicin de cidos, lo que a su vez repercute en la reduccin del pH de la solucin. Como disolvente, el agua tiene una infinidad de aplicaciones en la naturaleza (existen disoluciones, como ocanos, mares, lagos, ros, etctera), al igual que en los alimentos, en el plasma sanguneo y en la orina, que desempean un papel vital para el cuerpo humano. Muchas sales y compuestos 1.3 Propiedades del agua 7

25. inicos y no inicos, slo se solubilizan en agua y nunca en disolventes apolares (cloroformo, benceno, etctera) o en grasas. Los cristales de NaCl son estables por las fuertes atracciones electrostticas entre sus iones po- sitivo y negativo; mientras ms intensa sea la unin, ms energa se requerir para la separacin. El agua es capaz de disolver los cristales debido a la intensa fuerza que se crea entre su dipolo y los iones sodio y cloro, lo que provoca la produccin de Na y Cl altamente hidratados; dicha interrela- cin es mayor que la tendencia a la unin de los dos iones para restablecer la sal. Esta hidratacin depende de la densidad de carga, que es igual a la carga total dividida entre el radio inico; para una misma carga, la retencin de agua es mayor en los iones pequeos que en los grandes; la hidratacin del K es menor que la del Na, ya que el radio del primero es mayor y, en consecuencia, su densidad de carga es menor. El agua es un buen disolvente debido a su alta constante dielctrica, D, que por definicin es una medida de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas electrostticas de atraccin F entre iones con carga opuesta: donde e1 y e2 son los iones y r es la distancia entre ellos. El valor D para el agua es muy alto (80 a 20C), comparado con el de otros disolventes: metanol, 33; etanol, 24; acetona, 21; benceno, 2; e indica que la fuerza de atraccin entre Na y Cl es solamente de 1/40 de la que existe con el benceno; por lo tanto, el agua favorece la disolucin de la sal, pues evita que sus componentes se unan nuevamente, mientras que el benceno facilita su asociacin. El agua tambin disuelve sustancias no inicas con carcter polar, como azcares, alcoholes, al- dehdos, cetonas, aminocidos, etctera, que contienen grupos carbonilo, amino, hidroxilo o carbo- xilo que fcilmente interaccionan con ella por medio de puentes de hidrgeno. Este mecanismo es el mismo que opera cuando se establecen dispersiones acuosas de polisacridos, protenas y otros polmeros, los cuales no producen soluciones verdaderas, sino suspensiones coloidales estabilizadas en el agua con dichas uniones (figura 1.3). Cabe indicar que la disolucin se efecta cuando la concentracin del agua es muy superior a la del soluto; sin embargo, cuando sta es baja, las sustancias no se disuelven, solamente se hidratan, y forman fluidos muy viscosos o incluso geles, en los que el agua queda retenida tambin por puentes de hidrgeno en una red tridimensional. Las molculas de agua que estn en contacto con el aire se comportan de una manera muy distinta de las que no lo estn, ya que actan como una pelcula elstica, dando origen a los fenmenos de tensin superficial. En la figura 1.4 se observa que mientras las molculas internas interac- tan homogneamente, aquellas en contacto con el aire slo tienden puentes de hidrgeno hacia el interior (el agua), y no haca el exterior (el aire). Este comportamiento dificulta la humectacin de polvos, ya que hay que vencer una alta tensin superficial de la interfase agua/aire de 72.75 di- nas/cm, a 20C. Para formar nuevas superficies de interaccin agua-partcula slida, como en la hidratacin, se recurre a los agentes tensoactivos, como en el caso de los aderezos y de otras emulsiones, o al suministro de energa mecnica (agitacin, homogeneizacin), para formar dispersiones coloidales estables. La adicin de sales y de compuestos polihidroxilados (sacarosa), incre- F e1 e2 Dr2 8 Agua

26. menta la tensin superficial del agua, pero sta se reduce al aumentar la temperatura, ya que las fuerzas atractivas interiores se inhiben. ESTADOS FSICOS DEL AGUA De acuerdo con la cantidad e intensidad de puentes de hidrgeno que contenga, el agua existir en uno de los tres estados fsicos conocidos: gas, lquido y slido, propiedad que es exclusiva de esta sustancia en nuestro planeta. A una atmsfera de presin, estos estados dependen exclusivamente de la temperatura, por lo que a 0C se presenta como hielo y a 100C, como vapor; sin embargo, a una presin de 4.579 mm de mercurio y a 0.0099C (en el llamado punto triple), se considera que los tres estados se encuentran conjuntamente en equilibrio, como muestra la figura 1.5. Las conversiones de un estado a otro se llevan a cabo modificando la presin y la temperatura; la evaporacin sucede por la ruta d de la figura 1.5, y ocurre en la deshidratacin convencional, como en charolas, por aspersin y en tambor rotatorio; debido al alto valor del calor de vaporizacin, en estos sistemas se requiere mucha energa, y esto puede ocasionar que los grupos hidrfilos hidratados de las protenas y de los hidratos de carbono se deterioren trmicamente y pierdan su capacidad posterior de rehidratacin. Por esta razn, muchos de los productos secados con estos procedimien- tos no son muy solubles y requieren de agua caliente y de una agitacin violenta para disolverlos. En la liofilizacin, el agua se elimina por sublimacin (conversin de slido a gas sin pasar por lquido), y no por evaporacin, como en el caso anterior, y se representa en la figura 1.5 con la ruta a-b-c; el primer paso consiste en la congelacin rpida del producto (p. ej. a 20C) para producir 1.4 Estados fsicos del agua 9 Aire Agua Interfase Figura 1.4 Representacin esquemtica de la interaccin agua:aire. Las flechas indican los puentes de hidrgeno. 1.4

27. hielo amorfo, sin redes estructuradas tpicas de los cristales (a); le sigue una fuerte reduccin de la presin por debajo del punto triple (b); y, por ltimo, se aplica una pequea cantidad de calor por ra- diacin, (calor latente de sublimacin, 2,825 kJ/g o 675 cal/g), que slo es suficiente para la sublimacin y no para la fusin del hielo (c). Ya que en la sublimacin se emplean temperaturas bajas, el alimento no sufre daos trmicos, y los grupos hidrfilos que retienen agua no se ven afectados; la rehidratacin de los liofilizados es muy sencilla, y con ella se obtienen alimentos con propiedades sensoriales (aroma, textura, sabor, etctera) y contenido vitamnico muy semejantes a los de las ma- terias primas. Sin embargo, debido al mayor costo del equipo y de la operacin, este sistema slo se emplea en te, caf, algunos vegetales, carnes y otros, pero en la industria farmacutica es el mtodo de secado por excelencia. En estado lquido, el agua establece puentes de hidrgeno y crea una estructura tridimensional que se ha explicado con varios modelos tericos; en general, se considera que estas uniones estn uniformemente distribuidas en todas las molculas de agua, formando una red uniforme. Otros modelos suponen que hay agua agregada, de muy corta vida y en permanente formacin, dispersa en un sistema de agua monomrica cuyas molculas no estn unidas; los agregados se forman y se disocian constantemente, lo que conduce a una movilidad y fluidez de las molculas de agua. Por otra parte, el hielo es una estructura ms ordenada y simtrica de molculas de agua unidas ntegramente por medio de puentes de hidrgeno, que trae consigo una reduccin de la entropa del sistema lquido; cada molcula de agua interacciona con otras cuatro y establece enlaces de una distancia oxgeno-oxgeno de 2.76 y un ngulo de unin de 109, muy cercano al del ngulo del te- 10 Agua slido lquido presin mm de Hg a b c d gas 0.0099 temperatura C 4.579 Figura 1.5 Diagrama de fases del agua. a) Congelacin, b) Reduccin de la presin, c) Sublimacin, d) Evaporacin. La ruta a-b-c muestra el proceso de liofilizacin.

28. traedro perfecto de 10920, lo que evita tensiones en la estructura. Los oxgenos interaccionan de tal manera que generan planos paralelos de agua, segn la figura 1.6, y hacen que el hielo adquiera un arreglo hexagonal simtrico en donde cada vrtice est representado por un tomo de oxgeno. En el descongelamiento, la estructura cristalina desaparece y, a medida que el hielo se funde, una molcula de agua puede ligar ms de cuatro de las mismas al reducirse la distancia entre ellas, lo que trae consigo una mayor fuerza de unin y un aumento de densidad mximo a 3.98C; si el calentamiento sobrepasa esta temperatura, la distancia entre molculas se incrementa y la densidad se reduce. Se estima que cuando el hielo se derrite y produce agua lquida a 0C, slo se rompe el 10% de los puentes de hidrgeno. El aumento del volumen por la reduccin de la densidad cuando se enfra y congela es la razn por la que el hielo flota en el agua; la densidad del hielo a 0C es de 0.9168 g/cm3, mientras que la del agua a la misma temperatura es de 0.9998, y a 20C es de 0.9982. Las diferencias entre las estructuras del agua y del hielo se reflejan en diversas propiedades, como la conductividad trmica; el hielo es ms conductor con un valor de 2,240 J/m seg K (5.3 cal/cm seg C), que es cuatro veces el del agua. EFECTO DE LOS SOLUTOS EN EL AGUA La presencia de los solutos inicos, no inico polar y apolar causa cambios importantes en la estructura del agua que se reflejan en sus propiedades coligativas, que incluye la depresin de la temperatura de congelamiento, el aumento de la de ebullicin, la reduccin de la presin de vapor, y el incremento de la presin osmtica. La temperatura tiene una influencia muy distinta en la solubilidad de los distintos solutos. La sacarosa absorbe calor al disolverse en agua (valor negativo de disolucin), en consecuencia, su solubilidad aumenta con la temperatura y de esta manera se preparan los jarabes de este azcar usados 1.5 Efecto de los solutos en el agua 11 (a) (b) puentes de hidrgeno puentes de hidrgeno, 2.76 Figura 1.6 (a) Estructura hexagonal de los cristales de hielo formados mediante puentes de hidrgeno entre molculas de agua, y (b) planos paralelos de las molculas de hielo. 1.5

29. en la industria de la confitera; en este proceso, entre cuatro y seis molculas de agua interaccionan e hidratan el disacrido para mantenerlo en disolucin. Por el contrario, el cloruro de sodio, al ab- sorber una mnima cantidad de calor, su solubilidad se ve menos afectada por el incremento de la temperatura. El estudio de las disoluciones acuosas parte de los modelos termodinmicos para sistemas 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 alimentos. Las desvia- ciones con respecto a la Ley de Raoult se deben a muchas causas, entre otras a que los solutos tienen interacciones y forman complejos con ellos mismos o con otros polmeros, haciendo que no todo est en solucin verdadera, adems de que tambin influye el estado de dispersin, la estructura de capilares del alimento, etctera. En el caso de una solucin ideal, la depresin de la temperatura de congelamiento del agua, t, es proporcional a la concentracin del soluto: donde K, es una constante del disolvente, n son los moles de soluto (g/pm) y p, el peso del disolvente. Se deduce que para la misma cantidad de un soluto, el de menor peso molecular provocar una mayor reduccin, 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 la leche descremada es de 342, que corresponde a la lactosa, mientras que en los jugos de uva y de jitomate es de 180, que es de la glucosa.5 Los solutos alteran el punto de congelamiento del agua debido a que rompen el arreglo tetra- drico de puentes de hidrgeno en el hielo al reducir la energa libre del sistema. En general, los no inicos tienen un menor efecto que los inicos, tanto en la reduccin de la temperatura de congelacin como en el aumento de la de ebullicin: un mol de sacarosa (no inico) disuelto en 1,000 g de agua reduce 1.86C el congelamiento e incrementa 0.52C la ebullicin; para el NaCl (inico), estas cifras se convierten en 3.72C y 1.04C, respectivamente; por este motivo, a grandes altitudes, se aa- de sal comn al agua de coccin para contrarrestar el efecto de la reduccin del punto de ebullicin por la menor presin atmosfrica. La solubilidad del NaCl se limita con el fro, por lo que la temperatura ms baja que se alcanza con soluciones de sal es de 21C, 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 normalmente hierve un lquido es directamente proporcional a la concentracin del soluto aadido, e inversamente proporcional a su peso molecular. La medicin de la depresin de la temperatura de congelamiento se usa como control de calidad para la leche, ya que las sustancias de bajo peso molecular, como lactosa y algunas sales en una concentracin constante, hacen que congele en un intervalo cerrado de alrededor de 0.54C; la determinacin se efecta en el criscopo y se hace rutinariamente para cuantificar posibles adulteracio- nes, como se explica en el captulo 12. Al reducir la temperatura de congelamiento, los solutos producen tambin un efecto en la presin de vapor y por lo tanto en la actividad del agua; este hecho se ha aprovechado para relacionar ambos parmetros en soluciones acuosas binarias muy simples, de tal forma que con dicho punto de congelamiento se deduce el valor de la actividad del agua.4, 28 t K n p 12 Agua

30. Los grupos no inicos polares como hidroxilos, carbonilos, enlaces peptdicos y otros similares, participan en la creacin de puentes de hidrgeno y modifican las interacciones internas entre las propias molculas de agua; los que tienen un momento dipolar muy grande, como la tirosina y la fe- nilalanina, inhiben la formacin y la estabilizacin de las estructuras acuosas. Por el contrario, los solutos no polares, como hidrocarburos, cidos grasos, algunos aminocidos, etctera, al no disolverse, favorecen las formas estables de agregados o clatratos en los que los solutos se localizan en los espacios vacos, obligando a las molculas de agua a interactuar ms fuerte y ordenadamente. Por otra parte, cuando el agua y una solucin se separan por una membrana semipermeable (per- meable al disolvente y no al soluto), la tendencia es que el agua pase a la solucin hasta que el equilibrio de concentraciones se alcance en los dos sistemas. A la presin requerida para que esto suceda se le llama presin osmtica y aumenta con la concentracin de los solutos disueltos. Gracias a esto las clulas de los vegetales, con sus respectivas membranas, mantienen su frescura cuando se remojan; su contenido de solutos, azcares, cidos y sales ocasiona la movilizacin del agua del entorno hacia el interior y aumenta la turgencia del tejido. Este efecto tambin se observa en los microorganismos, que se destruyen cuando se someten a una alta presin osmtica por algn tiempo, principio que se usa como medio de conservacin de algunos alimentos. DISTRIBUCIN DEL AGUA EN LOS ALIMENTOS El trmino contenido de agua de un alimento se refiere, en general, a toda el agua de manera global. Sin embargo, en los tejidos animal y vegetal, el agua no est uniformemente distribuida por muchas razones, por ejemplo, debido a los complejos hidratados que se producen con protenas, a los hidratos de carbono y otros, a las diversas estructuras internas propias de cada tejido, a los microcapilares que se forman, a su incompatibilidad con los lpidos que no permiten su presencia, etctera; el citoplasma de las clulas presenta un alto porcentaje de polipptidos capaces de retener ms agua que los organelos que carecen de macromolculas hidrfilas semejantes. Esta situacin de heteroge- neidad de la distribucin del agua tambin se presenta en productos procesados debido a que sus componentes se encuentran en distintas formas de dispersin. Por estas razones, en los alimentos existen diferentes estados energticos en los que se encuentra el agua; es decir, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades fisicoqumicas, y esto se puede comprobar fcilmente por las diversas temperaturas de congelamiento que se obser- van; en general, un alimento se congela a 20C, pero aun en estas condiciones una fraccin del agua permanece lquida y requiere de temperaturas ms bajas, por ejemplo 40C, para que solidi- fique completamente. En el cuadro 1.3 se observa que para el caso de la leche descremada con un 9.3% de slidos, el 4% de su agua no congela aun a 24C por la presencia de una solucin con 72% de slidos; por su parte, en la leche concentrada con un 26% de slidos, el agua no congelada aumenta a 12%, ya que contiene una mayor cantidad de slidos totales (26%), y en solucin (74.5%). Este tipo de consideraciones ha llevado a que se empleen trminos como agua ligada y agua libre, para hacer referencia a la forma y al estado energtico que dicho lquido guarda en un alimen- to. Aunque en realidad no hay una definicin precisa para cada una de estas fracciones, se considera que el agua ligada es aquella porcin que no congela a 20C, por lo que tambin se le llama agua no congelable; su determinacin se puede efectuar mediante el anlisis trmico-diferencial, por resonancia magntica nuclear, etctera. Por otra parte, el agua libre, tambin llamada agua congelable 1.6 Distribucin del agua en los alimentos 13 1.6

31. 14 Agua y agua capilar, es la que se volatiliza fcilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la actividad del agua. La relacin de concentraciones entre la libre y la ligada se incrementa en la medida en que el producto contiene ms agua, mientras que en los deshidratados, dicha relacin se reduce conside- rablemente. Algunos investigadores consideran que el agua ligada est fuertemente unida al alimento por medio de puentes de hidrgeno, pero otros establecen que dicha agua slo est fsicamente atrapada en una matriz muy viscosa que no permite su movilidad y difusin y, por lo tanto, no est disponible. CUADRO 1.3 Agua no congelable y su contenido de slidos Leche descremada Leche descremada concentrada Temperatura (9.3% slidos) (26% slidos) Agua Slidos en Agua Slidos en no congelable solucin no congelable solucin (C) (%) (%) (%) (%) 24 4.0 72.0 12.0 74.5 20 4.5 69.5 14.0 71.5 16 5.0 67.1 15.5 69.4 12 5.5 65.2 19.0 64.8 8 7.5 57.8 26.0 57.5 4 12.5 45.1 47.0 42.8 2 25.0 29.0 80.0 30.5 Para entender mejor estos conceptos, considrese una molcula de almidn completamente seca con un gran nmero de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de hidrgeno; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitara 0.11 g de H2O por gramo de slido, cantidad suficiente para formar la llamada capa monomolecular BET (Brunawer, Emmett y Te- ller), la cual es diferente entre los distintos productos; por ejemplo, la gelatina, la lactosa amorfa y la leche en polvo presentan valores de 0.11, 0.06 y 0.03 g/g de slido, respectivamente. Esta agua est fuertemente unida a la superficie seca, su fugacidad es baja y en consecuencia, su presin de vapor es reducida. Si se contina aadiendo lquido, se construirn capas superiores sobre la monomolecular. En este esquema tan sencillo y expuesto slo con fines didcticos, el agua de las capas ms internas se considerara como ligada (que corresponde hasta aproximadamente 0.5 g/g de slido), mientras que la de las ms externas, como libre. Realmente no existe ninguno de estos tipos de agua, ya que aun la ms fuertemente ligada, que incluye a la capa BET, tiene cierta movilidad, ya que ejerce una presin de vapor mensurable. De igual forma, no hay agua completamente libre debido a que tambin est unida a otras molculas de su misma especie o con otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el alimento; no es libre puesto que no se libera del alimento (p. ej. frutas y hortalizas), cuando se somete a esfuerzos mec- nicos ligeros y no fluye cuando se corta un trozo de carne fresca, aun en tamaos minsculos. Estos conceptos se relacionan con la capacidad de retencin de agua de diversas protenas y polisacridos, que en forma natural integran tejidos y que por su hidratacin le proporcionan frescura a los alimentos; adems, por esta misma razn, dichos polmeros se emplean como aditivos en la in-

32. dustria alimentaria. La capacidad de retencin de agua es una medida de la cantidad del lquido que puede quedar atrapado en una red, sin que exista exudacin o sinresis. Para efectos estrictamente didcticos y con datos muy generales, se ha elaborado la figura 1.7, en la que se aprecian tres zonas hipotticas en las que se puede dividir el agua contenida en un producto. La que integra la zona III se considera libre, se encuentra en macrocapilares y forma parte de las soluciones que disuelven las sustancias de bajo peso molecular, es la ms abundante, fcil de congelar y evaporar, y su eliminacin reduce la actividad del agua a 0.8. En la zona II, el agua se localiza en diferentes capas ms estructuradas y en microcapilares; es ms difcil de quitar que la anterior, pero al lograrlo se obtienen valores dela actividad del agua de aproximadamente 0.25. Esta fraccin correspondera, junto con la monocapa, al agua ligada. Por ltimo, el agua en la zona I equivale a la capa monomolecular y es la ms difcil de elimi- nar en los procesos comerciales de secado; en algunos casos se puede reducir parcialmente en la deshidratacin, pero esto no es recomendable, ya que, adems de que se requiere mucha energa y se daa el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, sobre todo contra las reacciones de oxidacin de lpidos, porque acta como barrera del oxgeno. 1.7 Actividad del agua 15 Actividad del agua velocidadrelativadereaccin zona I zona II zona III a b c d e f g h contenidodehumedad 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 agua libremonocapa Figura 1.7 Cambios que ocurren en los alimentos en funcin de la actividad del agua. a) Oxidacin de lpidos; b) reacciones hidrolticas; c) oscurecimiento no enzimtico; d) isoterma de adsorcin; e) actividad enzimtica; f) crecimiento de hongos; g) crecimiento de levaduras, y h) crecimiento de bacterias. ACTIVIDAD DEL AGUA Las propiedades coligativas, reolgicas y de textura de un alimento dependen de su contenido de agua, aun cuando ste tambin influye definitivamente en las reacciones fsicas, qumicas, enzimticas y microbiolgicas que se describen en otros captulos de este texto. Como ya se indic, y slo para efectos de simplificacin, el agua se dividi en libre y en ligada; la primera sera la nica 1.7

33. disponible para el crecimiento de los microorganismos y para intervenir en las otras transformaciones, ya que la segunda est unida a la superficie slida y no acta por estar no disponible o inmvil. Es decir, bajo este sencillo esquema, slo una fraccin del agua, llamada actividad del agua, aa, es capaz de propiciar estos cambios y es aquella que tiene movilidad o disponibilidad. Es con base en este valor emprico que se puede predecir la estabilidad y la vida til de un producto, y no con su contenido de agua; refleja el grado de interaccin con los dems constituyentes, adems de que se relaciona con la formulacin, el control de los procesos de deshidratacin y de rehidratacin, la mi- gracin de la humedad en el almacenamiento y muchos otros factores. Si se considera una solucin ideal, de las que no existen muchas en alimentos, con solutos en muy reducida concentracin, este trmino puede expresarse de la siguiente manera: (Ec. 1) donde: fugacidad del disolvente de la solucin fugacidad del disolvente puro HR humedad relativa P presin de vapor del agua del alimento Po presin de vapor del agua pura Ms moles de soluto (g/pm) Ma moles de agua (g/18) P/Po presin de vapor relativa Termodinmicamente, la fugacidad es una medida de la tendencia de un lquido a escaparse de una solucin; en virtud de que el vapor de agua se comporta aproximadamente como un gas ideal, se puede emplear la presin de vapor en lugar de la fugacidad. Es decir, en forma ideal, la aa es directamente proporcional a la presin de vapor relativa segn la ecuacin (1). Sin embargo, los alimentos, con sus mltiples constituyentes e interacciones con el agua, no se comportan como tal y se desvan de estas consideraciones, de tal forma que la aa es aproximadamente proporcional a la presin de vapor relativa. Por esta razn, se ha sugerido usar la presin de vapor relativa como medida ms exac- ta, en lugar de la aa. A pesar de esto, y al igual que el pH, la aa se sigue empleando por sus beneficios prcticos, por la facilidad de su medicin y por el bajo costo de los equipos requeridos. Por tal motivo, la Secretara de Salud de Mxico (SSA), la FDA de Estados Unidos y la Comunidad Econmi- ca Europea, la usan para categorizar la seguridad de los alimentos. En los estudios de Anlisis de Riesgos y Control de Puntos Crticos (HACCP, de las siglas en ingls Hazard Analysis and Critical Control Points), generalmente se le considera como un punto crtico. Sin tomar en cuenta esta ligera inexactitud, se concluye que la aa es la presin de vapor de las molculas de agua en el espacio de cabeza en un recipiente cerrado, comparada con la presin de vapor del agua pura a la misma temperatura, despus de alcanzar el equilibrio. Sus valores varan desde 1.0 para el agua pura, hasta cero para un producto totalmente seco. Otra forma de medir la disponibilidad del agua en un alimento es mediante su movilidad din- mica, en lugar de la aa y de la presin de vapor relativa, pero requiere de equipos costosos y poco aa f f P Po HR 100 Ma Ma Ms 16 Agua

34. prcticos, de difraccin y de resonancia magntica nuclear. La movilidad molecular se basa en la capacidad de difusin de los solutos, as como en la viscosidad que se genera en su microambiente, sobre todo en alimentos congelados. La movilidad se reduce con las sustancias disueltas, principalmente las de bajo peso molecular.7, 35 Estas formas de medicin de dicha disponibilidad y su influencia en la estabilidad de los alimentos resultan muy complicadas, por lo que, por el momento, se seguir empleando la aa como parmetro de referencia en la industria. La actividad del agua es una propiedad intrnseca y se relaciona de manera no lineal con el contenido de humedad mediante las curvas o isotermas de adsorcin y desorcin (figura 1.8). Para entender esto, considrese un alimento con agua, almacenado a una temperatura determinada en una cmara hermticamente cerrada; al cabo de algn tiempo, su presin de vapor provocar la transferencia de molculas de agua y la cmara adquirir una humedad relativa constante que estar en equilibrio (sin movimiento en ningn sentido) con el contenido de agua del alimento. Dicha humedad es- t en funcin del grado de interaccin de los solutos con el agua, lo que es un reflejo de la facilidad de sta para escapar del alimento. Tanto los higrmetros como los manmetros miden la humedad y la presin de vapor en el espacio de cabeza de la cmara. Por consiguiente, se tendr un par de valores, de humedad relativa vs contenido de agua, a una temperatura determinada; si esto se repite con diferentes porcentajes de agua, y los resultados se grafican, se obtiene la isoterma de desorcin (deshidratacin del slido).36 Por el contrario, si ahora se parte de un producto seco y se somete a atmsferas de humedad relativa elevadas, se observar una transferencia de masa del gas al slido hasta llegar a un equilibrio; al repetir este experimento con diferentes humedades, se tendrn nuevamente pares de valores que al graficarse crean la isoterma de adsorcin (hidratacin del slido). La figura 1.8 muestra las dos isotermas antes descritas, llamadas de sorcin; se aprecia que para un contenido de humedad constante la actividad del agua es menor durante la desorcin que en la adsorcin, o que para una aa determinada, la humedad es mayor en el secado que en la hidratacin. Se observa tambin que estos procesos opuestos no son reversibles por un camino comn, fenmeno que recibe el nombre genrico de histresis. 1.7 Actividad del agua 17 desorcin adsorcin Actividad del agua contenidodehumedad 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Figura 1.8 Curvas tpicas de las isotermas de adsorcin y desorcin de los alimentos.

35. 18 Agua CUADRO 1.4 Porcentaje de humedad de equilibrio a varias humedades relativas Humedad relativa (%) 10 30 50 70 90 Pan blanco 0.5 3.1 6.2 11.1 19.0 Galletas 2.1 3.3 5.0 8.3 14.9 Pastas 5.1 8.8 11.7 16.2 22.1 Harinas 2.6 5.3 8.0 12.4 19.1 Almidn 2.2 5.2 7.4 9.2 12.7 Gelatina 0.7 2.8 4.9 7.6 11.4 Por ejemplo, la histresis se presenta con una protena hidratada que se seca en una atmsfera de humedad relativa de 35% y alcanza el equilibrio a un contenido de 10% de agua (curva de desorcin); por otra parte, si la misma protena completamente deshidratada se coloca en dicha atmsfera, adsorbe humedad y llega al equilibrio con tan slo 7% de agua. Existen muchos modelos que describen termodinmicamente el fenmeno de la adsorcin-desorcin que se basan en los cambios de entalpa y entropa, que a su vez se relacionan con la humedad de equilibrio, la actividad del agua y la temperatura.1 En el cuadro 1.4 se muestra la variacin del porcentaje de humedad de equilibrio, o adsorcin, de diversos productos al someterlos a atmsferas de humedad relativa creciente; es claro que a medida que aumenta la HR, tambin lo hace el contenido de agua pero segn una relacin no lineal. Por otra parte, el valor de aa se incrementa cuando se eleva la temperatura, ya que igualmente lo hace la presin de vapor, como se observa en la figura 1.9 que muestra la tendencia general.25 Esta de- pendencia ha sido motivo de muchos modelos matemticos, y para la capa monomolecular se ha esta- blecido la ecuacin: ln Xm b aT, donde: Xm es el contenido de agua de la capa en gramos por 100 g de slido seco, T la temperatura y a y b son constantes.19, 20 Para ilustrar el efecto de la temperatura en la actividad del agua, considrese un ejemplo hipottico de frutas semideshidratadas, no esterilizadas, con 45% de humedad, empacadas en cajas de cartn y equilibradas con la atmsfera a 20C, como muestra la figura 1.9; durante su envo a los clientes, la temperatura del camin subi a 35C y as per- maneci por varias horas, de tal manera que la aa se desplaz de 0.42 original a casi 0.8, situacin en la que ahora pueden crecer hongos y levaduras, adems de propiciarse algunas reacciones de deterioro en detrimento del producto. Dependiendo del alimento, pero como regla general, muy pequeas fluc- tuaciones de temperatura pueden ocasionar grandes modificaciones en la actividad del agua. Por otra parte, la aa tambin est en funcin de los slidos que contenga un alimento, y para de- mostrarlo se han desarrollado diversas relaciones lineales matemticas; ste es el caso del suero de la leche, cuya concentracin C (gramos de slido por 100 g de agua) es proporcional a la actividad del agua, mediante la ecuacin aa 0.999 0.000558 C. Para este producto en particular, la lactosa y las sales, y en menor grado las protenas, son las que determinan los valores de aa.22 Como ya se mencion, el abatimiento de la temperatura de congelamiento, t, causa una reduccin de la presin de vapor y, en consecuencia, en la actividad del agua, de acuerdo con la siguiente expresin: aa 1 1 0.0097t

36. esta ecuacin se puede aplicar en alimentos congelados en un intervalo de temperatura de 0 a 40C.6 De hecho, en soluciones acuosas binarias sencillas como leche descremada, bebidas y jugos, tambin se ha calculado la aa por medio de la depresin del punto de congelamiento.28 De manera terica, la aa puede calcularse con diversos modelos matemticos, 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, etctera.40 En general, existe mucha informacin sobre los valores de la actividad del agua de un gran nmero de alimentos (cuadro 1.5). Las frutas, las hortalizas, la carne y muchos enlatados tienen, en promedio, 0.97; contrariamente a stos, 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. DETERMINACIN DE LAS CURVAS DE ADSORCIN Y DESORCIN La isoterma de adsorcin representa la cintica con la que un alimento adsorbe humedad y se hidrata, y es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidratados almacenados en atmsferas hmedas (higroscopicidad). De manera semejante, la de desorcin equivale al proceso de deshidratacin y refleja la forma como pierde agua.24 Con base en ambas curvas se disean los sistemas de almacenamiento, de secado, de rehidratacin, etctera, adems de que ayudan a predecir la estabilidad de los alimentos almacenados en distintas condiciones. 1.8 Determinacin de las curvas de adsorcin y desorcin 19 actividad del agua contenidodeagua% temperatura C 15 20 25 30 35 45 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Figura 1.9 Influencia de la temperatura en las isotermas de adsorcin. 1.8

37. 20 Agua CUADRO 1.5 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 5% humedad 0.40 Galletas, cereales 0.35 Azcar 0.10 Para su elaboracin 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 mtodos tradicionales ya conocidos, y para la aa se pueden emplear diferentes sistemas basados en las mediciones de la presin de vapor, de la temperatura de roco, del abatimiento del punto de congelamiento, de las temperaturas de bulbos hmedo y seco, etctera.32, 37 Con el higrmetro, el alimento se coloca en una cmara cerrada y la determinacin se hace en el espacio de cabeza mediante diversos potencimetros que contienen compuestos higroscpicos como el cloruro de litio o las resinas de intercambio inico, cuyas conductividades elctricas cambian con la humedad relativa. En ausencia de instrumentos, las isotermas se determinan colocando muestras del alimento en distintas cmaras cerradas hermticamente (p. ej. un desecador de laboratorio), en cuyo interior se generan atmsferas con una humedad relativa conocida y estable. De esta forma, al alcanzar el equilibrio se cuantifica el contenido de agua, con lo que se obtienen los valores que se grafican; la operacin se repite con tantas humedades como se considere necesario. Dichas atmsferas de humedad relativa conocida se logran empleando soluciones saturadas de algunas sales, como la del NaCl que produce una HR 75% en el espacio de cabeza del recipiente cerrado en que se encuentre; de igual manera, las disoluciones de K2CO3, NaNO2, KCl y K2SO4, generan una HR de 43%, 65%, 85% y 97%, respectivamente.33 Con estas consideraciones, cuando se desea obtener la curva de adsorcin se utiliza el alimento seco con disoluciones salinas de HR altas, y cuando se quiere determinar la de desorcin, se usa el alimento hmedo con HR bajas. La cintica de adsorcin de los polvos es muy importante, ya que con base en ella se disea 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. La albmina del huevo se hidrata ms rpidamente cuando no contiene la ye-

38. ma, posiblemente porque en sta existen lpidos que rechazan el agua; la influencia de los hidratos de carbono igualmente desempea un papel muy importante en este comportamiento.18, 30 Los valores de las isotermas tambin pueden determinarse con base en ecuaciones matemticas, como la de Clausius Clapeyron con la que se calcula la aa a cualquier temperatura cuando se cono- ce el calor de adsorcin-desorcin a una humedad constante. ACTIVIDAD DEL AGUAY ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOS Los diversos mtodos de conservacin se basan en el control de una o ms de las variables que influyen en la estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de nutrimentos y de reactivos, potencial de oxido-reduccin, presin y presencia de conservadores. En este sentido, la aa es de fundamental importancia, y con base en ella se puede conocer el comportamiento de un producto. En la figura 1.10 aparece su relacin con el pH; la ubicacin del alimento en este sencillo diagrama da una indicacin clara de su estabilidad y contribuye a determinar la necesidad de tratamientos trmicos, de adicin de conservadores, etctera, para prolongar la vida de anaquel. En general, mientras ms alta sea la aa y ms se acerque a 1.0, que es la del agua pura, mayor ser su inestabilidad, por ejemplo, en carnes, frutas y vegetales frescos que requieren refrigeracin por esta causa. Por el contrario, los alimentos estables a temperatura ambiente (excepto los tratados trmicamente y comercialmente estriles, como los enlatados), son bajos en aa, como sucede con los de humedad intermedia en los que el crecimiento microbiano es retardado. Como ya se indic, en forma resumida y slo con fines didcticos, la figura 1.7 muestra la influencia de la actividad del agua en varias de las reacciones qumicas y enzimticas que ocurren en los alimentos (oscurecimiento, rancidez, etctera), as como en el crecimiento de hongos, levaduras y bacterias. Esta grfica vara mucho entre los distintos productos, de acuerdo con la composicin, la homogeneidad de la distribucin de los componentes, el tipo de reaccin y otros factores, por lo que es solamente indicativa de las tendencias generales. El contenido de agua por s solo no proporciona informacin sobre la estabilidad de un alimen- to y, por eso, productos con la misma humedad, presentan distintas vidas de anaquel; dicha estabilidad se predice mejor con la aa. La influencia de este parmetro se ha demostrado en un gran nmero de trabajos de investiga- cin: prdida de lisina disponible,21 oscurecimiento no enzimtico,3 degradacin de vitaminas,14 inactivacin del inhibidor de tripsina,31 destruccin de pigmentos,23 produccin del aroma de productos cocidos,17 estabilidades de pastas y harinas,29 y de las frutas,34 y en muchos otros productos y reacciones. La estabilidad de las vitaminas est 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 hidratacin de la monocapa, y se ven ms afectadas con el aumento de la aa. Por el contrario, en los productos muy secos no existe agua que acte como filtro del oxgeno y la oxidacin se produce fcilmente. La aa influye en el oscurecimiento no enzimtico (captulo 2), aun cuando cada azcar tiene un distinto poder reductor que afecta la velocidad de la reaccin. En general, la energa de activacin y la temperatura requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua; la velocidad se acelera de 3 a 6, cuando la aa pasa de 0.35 a 0.65 y hasta tres veces por cada 10C de incremen- 1.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 21 1.9

39. 1. Frutas y hortalizas enlatadas 2. Leche y carnes frescas 3. Quesos con alto contenido de agua 4. Jamones 5. Embutidos fermentados 6. Quesos con bajo contenido de agua 7. Mermeladas 8. Salsas de tomate 9. Leche condensada y jarabes 10. Frutas secas 11. Miel 12. Pastas de trigo 13. Galletas secas (productos con 5% de humedad) 14. Leche deshidratada (productos con menos de 5% de humedad) alimentosdehumedad intermedia ZONA DE ALTA ESTABILIDAD alimentos cidos ZONA DE BAJA ESTABILIDAD 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 3.0 4.0 4.6 5.0 6.0 7.0 pH 1 2 3 4 9 8 5 6 7 10 11 12 13 14 alimentos no cidos aa Figura 1.10 Influencia de la aa y del pH en la estabilidad de los alimentos. 22 Agua to. Sin embargo, cuando se concentran los alimentos se abate la aa, pero tambin se concentran los reactivos, lo que favorece la reaccin por un mayor contacto; al reducir an ms el agua, se pierde movilidad de los reactivos y se inhibe la reaccin y por eso, en alimentos muy concentrados con azcares, es ms factible la caramelizacin que las reacciones de Maillard. Debido a la influencia del bi- nomio aa-temperatura, en el secado es recomendable reducir la temperatura del aire al final del proceso para prevenir el oscurecimiento.9 La oxidacin de los aceites insaturados (captulo 4) y de otras sustancias liposolubles, como las vitaminas y varios pigmentos, est influida por la aa de acuerdo con la figura 1.7, en la que se obser-

40. 1.10 Alimentos de humedad intermedia 23 va un fuerte incremento por debajo de la monocapa, ocasionado por una falta de agua que proteja del oxgeno a la superficie del alimento; despus disminuye con la humedad por formar dicha capa pro- tectora, para posteriormente aumentar nuevamente debido a que el agua favorece la movilidad de los metales que catalizan la reaccin para ponerse en contacto con el sustrato.13 En las enzimas, el agua acta facilitando la integracin de su estructura protenica, lo que con- lleva a la formacin del centro activo; adems, tambin favorece la difusin de los reactivos e inter- viene como tal en las reacciones de hidrlisis. Cada enzima requiere una aa para realizar su funcin; sin embargo, cuando el sustrato es lquido, como los aceites, las lipasas necesitan solamente un m- nimo de agua (captulo 4), mientras que las carbohidrasas y proteasas requieren de aa mayores en un intervalo muy amplio (p. ej. desde 0.4 hasta 0.95). Para su crecimiento, los microorganismos necesitan condiciones propicias de pH, de nutrimentos, de oxgeno, de presin, de temperatura y de actividad del agua; como regla general, esta ltima tendr que ser mayor a medida que los otros parmetros se vuelvan menos favorables. Por cada 0.1 unidades de aumento de aa, el crecimiento microbiano puede incrementarse un 100%, hasta llegar a un lmite. Los que ms agua requieren son las bacterias (0.91), despus las levaduras (0.88), y luego los hongos (0.80); de todos, los patgenos son los que ms la necesitan para su desarrollo, situacin contraria a las levaduras osmfilas (cuadro 1.6). Como regla, la aa mnima para la produccin de toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano. La reduccin de la disponibilidad de agua inhibe dicho crecimiento, pero a su vez incrementa la resistencia trmica de los microorganismos, lo que indica que para destruirlos es mejor el calor hmedo que el calor seco.41 Los microorganismos responden a una baja humedad, prolongando su fase inicial, bajando la fase logartmica y reduciendo el nmero de clulas viables. CUADRO 1.6 Valores mnimos de la actividad del agua para el crecimiento de microorganismos de importancia en alimentos Organismo Mnima Mayora de bacterias dainas 0.91 Mayora de levaduras dainas 0.88 Mayora de hongos dainos 0.80 Bacteria halfila 0.75 Levadura osmfila 0.60 Salmonella 0.95 Clostridium botulinum 0.95 Escherichia coli 0.96 Staphylococcus aureus 0.86 Bacill

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