19 de abril del 2011

Las 3 cuestiones importantes a tratas en esta presentación son las siguientes:

La transición de fase de los alimentos que contienen agua

Distintos estados físicos de los alimentos

Estabilidad y conservación de los alimentos

La actividad de agua se utiliza como indicador

para el almacenaje de alimentos solamente siestos alimentos poseen un bajo contenido deagua.Esta limitación se debe a que la actividad deagua indica un estado que sólo se aplica asoluciones ideales, esto es, muy diluidas, quese hallan en equilibrio termodinámico.

Los alimentos cuando son almacenados no sealteran debido a principios termodinámicos sinodebido a principios cinéticos.

La vida útil de los alimentos está relacionada conla velocidad en que cambian sus propiedadesfísicas. Por lo tanto nuestro análisis será desde elpunto de vista de la transferencia de fase.

¿Qué son los alimentos?Los alimentos son sistemas complejos constituidos por

diferentes componentes como por ejemplo:

• Agua• Proteínas• Lípidos• Hidratos de carbono• Sales

En la mayoría de los casos presentan 2 o más fases.

La movilidad de las partículas y su ordenamiento soncaracterísticas distintivas de cada estado de agregación.

En estado gaseoso las moléculas se mueven libremente y noposeen regiones de distribución ordenada.

En estado líquido, las moléculas se deslizan libremente entresí y poseen pequeñas regiones ordenadas.

En el estado sólido la movilidad de las partículas es mínima(vibraciones alrededor de posiciones fijas) y se pueden dividirsegún posean regiones ordenadas o no, en cristalinos y

amorfos, respectivamente.

Se puede medir la cinética de la transición de fasepor medio de la Calorimetría Diferencial de Barrido(Differential Scanning Calorimetry – DSC), lo quegenera un termograma que muestra a latemperatura Tg como el valor característico para

latransición de vítrea a gomosa (plástica).

Es un excelente método de análisis que permite comprender la estabilidad de los sistemas biológicos.

DSC mide directamente los cambiosde temperatura que se producen en las biomoléculas durante el aumento o la disminución controlada de la temperatura, haciendo posibleel estudio de materiales en su estado basal.

Podemos definir a una fase como:

``Sistema que presenta una cierta uniformidad en su composición y en sus propiedades físicas´´

La transición entre fases la podemos definir como:

``Cambio brusco de las propiedades macroscópicas de un sistema por efecto de la variación de algún parámetro de control externo (T y/o P) y tienen como consecuencia cambios en la movilidad molecular´´

Debido a la movilidad molecular producida por la transiciónde fases se generan variaciones en:• propiedades físicas (térmicas, mecánicas y difusionales)• cinéticas de reacciones químicas y enzimáticas• fenómenos de transporte

Transición vítrea

La transición vítrea es el pasaje del estado vítreo al gomoso o viceversa. Latemperatura a la cual ocurre esta transición se denomina Temperatura detransición vítrea (Tg). Cabe destacar que la estabilidad microbiana no tiene relación con la Tg ysólo depende del aw.

Transiciones de primer orden

Transiciones de segundo orden

DefiniciónSon transiciones en las que el sistema absorbe o desprende una cierta cantidad de calor (calor latente) y en que hay coexistencia de fases.Transiciones entre los estados: sólido, líquido y gaseoso

Son transiciones que no tienen un calor latente asociado, es decir, no hay cambio de fase.

Ejemplo

Fusión Ebullición Solidificación Etc

Transición vítrea.

Temperatura de transición vítrea

T vs ViscosidadAl aumentar la temperatura de almacenamiento por encima de la Tg, la viscosidad disminuye bruscamente, por lo tanto la movilidad molecular aumenta y el alimento pasa de vítreo a gomoso

Ejemplo

Si Talm < Tg estado vítreo Si Talm > Tg estado gomoso

Tg de losalimentos depende principalmentede

∙ Composición: Cuanto más fácilmente pueda moverse una molécula, menor cantidad de calor habrá que suministrarle para salir de un estado vítreo rígido y pasar a otro blando y flexible. Al aumentar el peso molecular, disminuye la movilidad de las moléculas y por lo tanto, aumenta la Tg. ∙ Humedad: Al aumentar el contenido de agua, aumenta la movilidad de las moléculas y la Tg disminuye.

Los alimentos se vuelvenplásticos cuando se hidratansus componentes hidrofílicos.Así, el contenido de aguaafecta la temperatura Tg.Durante el enfriado de unasolución acuosa por debajodel punto de fusión, partedel agua cristaliza, lo queorigina que la sustancia disuelta se enriquezca en lafase fluida remanente (agua no congelada).

En el termograma aparece la temperatura T’ga la cual la fase vítrea de la solución concentradapasa al estado gomoso. la cantidad de agua no congelada W’g

a esta temperatura es de 27% en peso.

La siguiente Tabla lista las Tg yW´g para soluciones acuosas

(20%en peso) de carbohidratos y deproteínas.

En el caso de oligosacáridoscompuestos por 3 moléculas demonosacáridos, la maltotriosaposee el valor Tg más alto encomparación con la panosa y laisomaltotriosa. La razón es probablemente que

enSolución acuosa la longitudefectiva de la cadena lineal deOligosacáridos es mayor que la

delos compuestos ramificados deIgual peso molecular.

Esta ecuación lleva las iniciales de Williams, Landel y Ferry

La viscosidad de un alimento es extremadamente alta a lastemperaturas Tg o T’g (alrededor de 103 Pa.s). A medidaque la temperatura aumenta, la viscosidad disminuye, lo quesignifica que se acelerarán los procesos que llevan a unadisminución de la calidad. En el rango de temperatura desdeTg hasta alrededor de Tg +100°C, el cambio en viscosidadsigue la ecuación WLF :

De acuerdo a la ecuaciónWLF, la velocidad a la queen nuestro ejemplo el

aguacristaliza en un helado atemperaturas levementesuperiores a T’g aumentaexponencialmente .Si la ecuación deArrhenius fuera válida, lacristalización seaceleraría linealmente auna velocidadconsiderablemente menordespués de superar T’g.

Para obtener sólidos en estado amorfo, se deben producircambios bruscos de presión y/o temperatura para evitar

quelas moléculas formen una estructura ordenada (cristalina). A continuación se muestra un diagrama con algunos delos procesos implicados en las transiciones de fase.

Secado Spray

Se evapora el agua a 60-70ºC y presión reducida. El contenido de humedad final debe ser el adecuado paraque la Tg del alimento sea mayor que la temperatura dealmacenamiento. Ej: leche en polvo

Se congela rápidamente para que se formen cristalespequeños de hielo. Cuando se alcanza una temperaturaentre Tg y Tg’ (estado gomoso), se disminuye la presiónpara que el hielo sublime. Al igual que en el secado spray,el contenido de humedad debe ser el adecuado para queel alimento esté en estado vítreo a temperatura ambiente.

Desventaja: Es un proceso costoso justificable paraalimentos con alto valor agregado.

Ej: frutas y vegetalesdeshidratados.

El enfriamiento rápido de un material fundido,permitirá la obtención de alimentos en estadovítreo o gomoso (dependiendo del Tg). Ej: Caramelos duros o blandos.

Factores a controlar

Alimentos en estado vítreo(Tg - T alm) > 0

Alimentos en estado gomoso(Tg - T alm) < 0

Temperatura de almacenamiento:

Debe ser menor a la Tg Si es mucho mayor a Tg, se favorecerán los procesos de cristalización. Por lo tanto, para optimizar la vida útil de un alimento gomoso, se lo debe almacenar a una temperatura cercana a la Tg.

Humedad relativa:

Debe ser lo suficientemente baja como para que el alimento no absorba agua, la cual disminuiría la Tg (si la Tg disminuye hasta alcanzar la temperatura de almacenamiento, el alimento se vuelve gomoso)

Envase: Debe aislar al alimento del vapor de agua del ambiente (humedad).

Debe evitar que el alimento pierda su humedad natural; de lo contrario la Tg aumenta y el alimento se vuelve vítreo (endurecimiento). El envase debe evitar que el alimento absorba agua para que su Tg no disminuya demasiado y se favorezcan los procesos de cristalización, gomosidad, pegajosidad, etc.

Agregado de sustancias:

Ciertas sustancias como el glicerol o el sorbitol disminuyen la velocidad de cristalización de los azúcares. Además, en alimentos congelados, actúan como crioprotectores ya que bajan la Tg del alimento y disminuyen la cantidad de agua congelable.

En el siguiente cuadro se muestran algunos problemasfísicos que pueden sufrir los alimentos en estado

amorfo.

Se admite que la movilidad de los solutos tiene una importante influencia sobre la velocidad de las reacciones químicas y crecimiento microbiano.

Se piensa que las reacciones no ocurren en alimentos muy secos porque los reactivos están inmóviles.

La movilidad de los reactantes y la capacidad del agua

como solvente no adquiere significación hasta que elcontenido de agua es mayor que el valor monocapa.

Como indicador de estabilidad de alimentos lamovilidad de solutos se muestra superior al aw peronormalmente no se utiliza en control de calidad porcarecer de metodología adecuada.

La congelación es considerada como el mejormétodo de conservación a largo plazo. Los beneficios de esta técnica de conservaciónes debido a la baja temperatura y no a laformación de hielo.

Formación de hielo: consecuencias

a. Los constituyentes no acuosos son concentrados en la fase no congelada

b. Toda el agua convertida en hielo aumenta el volumen en un 9%.

Desventajas de la fase no congelada:

Cambian las propiedades del alimento, entre ellas:

1. Ph2. Fuerza iónica3. Viscosidad4. Punto de congelación

La congelación tiene 2 efectos opuestos sobre la velocidad de reacción:

1. La reducción de la temperatura disminuirá la velocidad de reacción

2. La concentración por congelación incrementa la velocidad de reacción

MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN!!!!

FIN