agua en los alimentos broma

5/10/2018 Agua en Los Alimentos Broma

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DISTRIBUCION DELAGUA EN LOSALiMENTOSEl termino contenido de agua de un alimento se refiere, en general, a toda el agua de rnanera global.Sin embargo, en los tejidos animal y vegetal, el agua no esta uniformemente distribuida por muchasrazones, por ejemplo, debido a los complejos hidratados que se producen con proteinas, a los hidra-tos de carbono y otros, a las divers as estructuras internas propias de cada tejido, a los microcapila-res que se forman, a su incompatibilidad con los Itpidos que no permiten su presencia, etcetera; elcitoplasma de las celulas presenta un alto porcentaje de polipeptidos capaces de retener mas aguaque los organelos que carecen de macromoleculas hidr6filas semejantes. Esta situaci6n de heteroge-neidad de la distribuci6n del agua tambien se presenta en productos procesados debido a que suscomponentes se encuentran en distintas formas de dispersi6n.

Por estas razones, en los alimentos existen diferentes estados energeticos en los que se encuen-tra el agua; es decir, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades fisicoqufrnicas, yesto se puede comprobar facilmente por las diversas temperaturas de congelamiento que se obser-van; en general, un alimento se congela a - 20C, pero aun en estas condiciones una fracci6n delagua permanece Ifquida y requiere de temperaturas mas 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 un9.3% de solidos, e14% de su agua no congela aun a -24C por la presencia de una soluci6n con 72%de s61idos; por su parte, en la leche concentrada con un 26% de s6lidos, el agua no congelada au-menta a 12%, ya que contiene una mayor cantidad de s6lidos totales (26%), y en soluci6n (74.5%).

Este tipo de consideraciones ha llevado a que se empleen terminos como agua ligada y agua li-bre, para hacer referencia a la forma y al estado energetico que dicho liquido guarda en un alimen-to. Aunque en realidad no hay una definici6n precisa para cada una de estas fracciones, se conside-ra que el agua ligada es aquella porci6n que no congela a - 20C, por 10 que tambien se le llama aguano congelable; su determinaci6n se puede efectuar mediante el analisis termico-diferencial, por re-sonancia magnetica nuclear, etcetera. Por otra parte, el agua libre, tambien Hamada agua congelable


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y agua capilar, es la que se volatiliza facilmente, se pierde en el calentamiento, se congela prime-ro y es la principal responsable de la actividad del agua.

La relacion de concentraciones entre la "Iibre" y la "ligada" se incrementa en la medida en queel producto contiene mas agua, mientras que en los deshidratados, dicha relaci6n se reduce cons ide-rablemente. Algunos investigadores consideran que el "agua ligada" esta fuertemente unida al ali-mento por medio de puentes de hidr6geno, pero otros establecen que dicha agua s6lo esta ffsicamenteatrapada en una matriz muy viscosa que no permite su movilidad y difusi6n y, por 10 tanto, no estadisponible.

-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, considerese una molecula de almid6n completamente secacon un gran mimero de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de hidr6ge-no; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitaria 0.11 g de H20 por gramo de s6li-do, cantidad suficiente para formar la Hamada capa monomolecular BET (Brunawer, Emmett y Te-ller), la cual es diferente entre los distintos productos; por ejemplo, la gelatina, la lactosa amorfa y laleche en polvo presentan valores de 0.11,0.06 y 0.03 gig de s6lido, respectivamente. Esta agua estafuertemente unida a la superficie seca, su fugacidad es baja y en consecuencia, su presi6n de vapores reducida. Si se continua afiadiendo lfquido, se construiran capas superiores sobre la monomolecu-lar. En este esquema tan sencillo y expuesto s6lo con fines didacticos, el agua de las capas mas inter-nas se considerarfa como "ligada" (que correspondehasta aproximadamente 0.5 gig de s6lido), mien-tras que la de las mas externas, como "libre".

Realmente no existe ninguno de estos tipos de agua, ya que aun la mas fuertemente ligada, queincluye a la capa BET, tiene cierta movilidad, ya que ejerce una presi6n de vapor mensurable. Deigual forma, no hay agua completamente libre debido a que tambien esta unida a otras moleculas de sumisma especie 0 con otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el alimento; no es librepuesto que no se 1ibera del alimento (p. ej. frutas y hortalizas), cuando se somete a esfuerzos meca-nicos ligeros y no fluye cuando se corta un trozo de carne fresca, aun en tamafios minuscules.

Estos conceptos se relacionan con la capacidad de retenci6n de agua de divers as protefnas y po-Iisacaridos, que en forma natural integran tejidos y que por su hidrataci6n Ie proporcionan frescura alos alimentos; ademas, por esta misma raz6n, dichos polfmeros se emplean como aditivos en la in-


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1. 7 Actividad del agua I 5

dustria alimentaria. La capacidad de retencion de agua es una medida de la cantidad delliquido quepuede quedar atrapado en una red, sin que exista exudacion 0 sineresis.

Para efectos estrictamente didacticos y con datos muy generales, se ha elaborado la figura 1.7,en la que se aprecian tres zonas hipoteticas en las que se puede dividir el agua contenida en un pro-ducto. La que integra la zona III se considera "libre", se encuentra en macrocapilares y forma partede las soluciones que disuelven las sustancias de bajo peso molecular, es la mas abundante, facil decongelar y evaporar, y su eliminacion reduce la actividad del agua a 0.8.

En la zona II, el agua se localiza en diferentes capas mas estructuradas y en microcapilares; esmas dificil de quitar que la anterior, pero allograrIo se obtienen valores de la actividad del agua deaproximadamente 0.25. Esta fraccion corresponderia, junto con la monocapa, al agua "ligada",

Por ultimo, el agua en la zona I equivale a la capa monomolecular y es la mas dificil de elimi-nar en los procesos comerciales de secado; en algunos casos se puede reducir parcialmente en la des-hidrataci6n, pero esto no es recomendable, ya que, ademas de que se requiere mucha energia y sedana el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, sobre todo contra las reacciones de oxida-ci6n de lipidos, porque acnia como barrera del oxigeno.

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o 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10Actividad del agua

Figura 1.7 Cambios que ocurren en los alimentos en funci6n de la actividad del agua. a) Oxidaci6n de lfpidos; b) reaccio-nes hidrolfticas; c) oscurecimiento no enzimatico; d) isoterma de adsorci6n; e) actividad enzimatica; f) crecimiento de hon-gos; g) crecimiento de levaduras, y h) crecimiento de bacterias.

ACTIVIDAD DELAGUALas propiedades coligativas, reol6gicas y de textura de un alimento dependen de su contenido deagua, aun cuando este tambien influye definitivamente en las reacciones ffsicas, quimicas, enzima-ticas y microbiologicas que se describen en otros capitulos de este texto. Como ya se indico, y solopara efectos de simplificaci6n, el agua se dividio en "libre" y en "ligada"; la primera serfa la iinica


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disponible para el crecimiento de los microorganismos y para intervenir en las otras transformaciones,ya que la segunda esta unida a la superficie solida y no aetna por estar "no disponible 0 inm6vil".

Es decir, bajo este sencillo esquema, solo una fraccion del agua, Hamada actividad del agua, Ila,es capaz de propiciar estos cambios y es aquella que tiene movilidad 0 disponibilidad. Es con baseen este valor empfrico que se puede predecir la estabilidad y la vida titil de un producto, y no con sucontenido de agua; refleja el grado de interaccion con los demas constituyentes, ademas de que serelaciona con la formulaci6n, el control de los procesos de deshidratacion y de rehidrataci6n, la mi-graci6n de la humedad en el almacenamiento y muchos otros factores.

Si se considera una soluci6n ideal, de las que no existen muchas en alimentos, con solutos enmuy reducida concentracion, este termino puede expresarse de la siguiente manera:

aa fI"PPo

HR100

Ma (Ec. 1)Ma + Msdonde:

f fugacidad del disolvente de la solucionr = = fugacidad del disolvente puroHR humedad relativa

P presi6n de vapor del agua del alimentoPo presion de vapor del agua puraMs moles de soluto (g/pm)Ma moles de agua (g/18)

P/Po presi6n de vapor relativa'Iermodinamicamente, la fugacidad es una medida de la tendencia de un lfquido a escaparse de

una soluci6n; en virtud de que el vapor de agua se comporta aproximadamente como un gas ideal, sepuede emplear la presion de vapor en lugar de la fugacidad. Es decir, en forma ideal, la aa es direc-tamente proporcional a la presion de vapor relativa segun la ecuacion (1). Sin embargo, los alimentos,con sus multiples constituyentes e interacciones con el agua, no se comportan como tal y se desvfande estas consideraciones, de tal forma que la aa es aproximadamente proporcional a la presi6n de va-por relativa. Por esta razon, se ha sugerido usar la presi6n de vapor relativa como medida mas exac-ta, en lugar de la aa. Apesar de esto, y al igual que el pH, la aa se sigue empleando por sus beneficiospractices, por la facilidad de su medicion y por el bajo costa de los equipos requeridos. Por tal mo-tivo, la Secretarfa de Salud de Mexico (SSA), la FDA de Estados Unidos y la Comunidad Econ6mi-ca Europea, la usan para categorizar la seguridad de los alimentos. En los estudios de Analisis deRiesgos y Control de Puntos Criticos (HACCP, de las siglas en ingles Hazard Analysis and CriticalControl Points), generalmente se le considera como un punto critico.

Sin tomar en cuenta esta ligera inexactitud, se conc1uye que la aa es la presion de vapor de lasmoleculas de agua en el espacio de cabeza en un recipiente cerrado, comparada con la presion de va-por del agua pura a la misma temperatura, despues de a1canzar el equilibrio. Sus valores varian des-de 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 dina-mica, en lugar de la aa y de la presion de vapor relativa, pero requiere de equipos costosos y poco


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1.7 Actividad del agua 17

practices, de difracci6n y de resonancia magnetic a nuclear. La movilidad molecular se basa en la ca-pacidad de difusi6n de los solutos, asf como en la viscosidad que se genera en su microambiente, so-bre todo en alimentos congelados. La movilidad se reduce con las sustancias disueltas, principalmentelas de bajo peso molecular'?' 35 Estas formas de medici6n de dicha disponibilidad y su influencia en laestabilidad de los alimentos resultan muy complicadas, por 10 que, por el momento, se seguira em-pleando la aa como parametro de referencia en la industria.

La actividad del agua es una propiedad intrfnseca y se relaciona de manera no lineal con el con-tenido de humedad mediante las curvas 0 isotermas de adsorci6n y desorci6n (figura 1.8). Para en-tender esto, considerese un alimento con agua, almacenado a una temperatura determinada en unacamara hermeticamente cerrada; al cabo de algiin tiempo, su presi6n de vapor provocara la transfe-rencia de moleculas de agua y la camara adquirirauna humedad relativa constante que estara en equi-librio (sin movimiento en ningun sentido) con el contenido de agua del alimento. Dicha humedad es-ta en funci6n del grado de interacci6n de los solutos con el agua, to que es un reflejo de la facilidadde esta para escapar del alimento. Tanto los higrometros como los man6metros miden la humedad yla presi6n de vapor en el espacio de cabeza de la camara,Por consiguiente, se tendra un par de valores, de humedad relativa vs contenido de agua, a unatemperatura determinada; si esto se repite con diferentes porcentajes de agua, y los resultados se gra-fican, se obtiene la isoterma de desorci6n (deshidrataci6n del s61ido).36

Por el contrario, si ahora se parte de un producto seco y se somete a atm6sferas de humedad re-lativa elevadas, se observara una transferencia de masa del gas al s6lido hasta llegar a un equilibrio;al repetir este experimento con diferentes humedades, se tendran nuevamente pares de valores que algraficarse crean la isoterma de adsorci6n (hidrataci6n del s61ido).

La figura 1.8 muestra las dos isotermas antes descritas, llamadas de sorci6n; se aprecia que pa-ra un contenido de humedad constante la actividad-del agua es menor durante la desorcion que en laadsorci6n, 0 que para una aa determinada, la humedad es mayor en el secado que en la hidrataci6n.Se observa tambien que estos procesos opuestos no son reversibles por un camino cormin, fenome-no que recibe el nombre generico de histeresis.

'0c o'0


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10 30 50 70 90Pan blanco 0.5 3.1 6.2 11.1 19.0Galletas 2.1 3.3 5.0 8.3 14.9Pastas 5.1 8.8 11.7 16.2 22.1Harinas 2.6 5.3 8.0 12.4 19.1Almid6n 2.2 5.2 7.4 9.2 12.7Gelatina 0.7 2.8 4.9 7.6 11.4

Por ejemplo, la histeresis se presenta con una protefna hidratada que se seca en una atmosfera dehumedad relativa de 35% y a1canza el equilibrio a un contenido de 10% de agua (curva de desorcion);por otra parte, si la misma protefna comp1etamente deshidratada se coloca en dicha atmosfera, adsor-be humedad y Uega al equilibrio con tan solo 7% de agua.

Existen muchos modelos que describen termodinamicarnente el fenomeno de la adsorcion-de-sorcion que se basan en los cambios de entalpfa y entropfa, que a su vez se relacionan con la humedadde equilibrio, la actividad del agua y 1a temperatura.'

En el cuadro 1.4 se muestra la variacion del porcentaje de humedad de equilibrio, 0 adsorcion,de diversos productos al someterlos a atmosferas de humedad relativa creciente; es claro que a medi-da que aumenta la HR, tambien 10 hace el contenido de agua pero segiin una relacion no lineal.

Por otra parte, el valor de a se incrementa cuando se eleva la temperatura, ya que igualmente khace la presion de vapor, como se observa en la figura 1.9 que muestra la tendencia general.F' Esta dependencia ha sido motivo de muchos modelos matematicos, y para la capa monomolecular se ha establecido la ecuacion: In Xm = { 3 + c/T, donde: Xm es el contenido de agua de la capa en gramos por 100 :de solido seco, T la temperatura yay { 3 son constantes.l" 20 Para ilustrar el efecto de la temperatura e1a actividad del agua, considerese un ejemplo hipotetico de frutas sernideshidratadas, no esterilizada:con 45% de humedad, empacadas en cajas de carton y equilibradas con 1a atm6sfera a 20C, commuestra la figura 1.9; durante su envio a los clientes, la temperatura del camion subio a 35C y asf pemaneci6 por varias horas, de tal manera que la aa se desplaz6 de 0.42 original a casi 0.8, situaci6n fla que ahora pueden crecer hongos y levaduras, ademas de propiciarse algunas reacciones de deterioien detrimento del producto. Dependiendo del alimento, pero como regla general, muy pequefias flutuaciones de temperatura pueden ocasionar grandes modificaciones en la actividad del agua.

Por otra parte, la aa tambien esta en funci6n de los solidos que contenga un alimento, y para dmostrarlo se han desarrollado diversas relaciones lineales matematicas; este es el caso del suero deleche, cuya concentraci6n C (gramos de solido por 100 g de agua) es proporcional a Ia actividad (agua, mediante la ecuacion aa = 0.999 - 0.000558 C. Para este producto en particular, la lactosrlas sales, y en menor grado las protefnas, son las que determinan los valores de aa.22

Como ya se menciono, el abatimiento de la temperatura de congelamiento, M, causa una redici6n de la presi6n de vapor y, en consecuencia, en la actividad del agua, de acuerdo con la siguieexpresi6n:

1aa 1 + 0.0097At


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1.8 Determinaci6n de las curvas de adsorci6n y desorci6n 19

o 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0actividad del agua

Figura 1.9 Influencia de la temperatura en las isotermas de adsorci6n.

esta ecuacion 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 ju-gos, tambien se ha ca1culado la (lapor medio de la depresion del punto de congelamiento.P

De manera teorica, la aa puede calcularse con divers os modelos matematicos, como los repre-sentados por las ecuaciones de Langmuir, de BET, de Anderson-Guggenheim, de Chung y Pfost, deIglesias y Chirife, de Bradley, de Smith, de Henderson, etcetera.f?En general, existe mucha informacion sobre los valores de la actividad del agua de un gran mimerode alimentos (cuadro 1.5). Las frutas, las hortalizas, la came y muchos enlatados tienen, en promedio,0.97; contrariamente a estos, los productos deshidratados van de aproximadamente 0.3 a 0.6, mientrasque los llamados alimentos de humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos extremos.

DETERMINACION DE LAS CURVAS DEADSORCIONY DESORCION

La isoterma de adsorci6n representa la cinetica con la que un alimento adsorbe humedad y se hidra-ta, y es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidratados almacenados enatmosferas humedas (higroscopicidad). De manera semejante, la de desorcion equivale al proceso dedeshidrataci6n y refleja la forma como pierde agua." Con base en ambas curvas se disefian los sis-temas de almacenarniento, de secado, de rehidratacion, etcetera, adernas de que ayudan a predecir la.estabilidad de los alimentos almacenados en distintas condiciones.


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Frutas frescas y enlatadas 0.97Verduras 0.97Jugos 0.97Huevos 0.97Carne 0.97Queso 0.95Pan 0.94Mermeladas 0.86Frutas secas 0.73Miel 0.70Huevo en polvo 5% humedad 0.40Galletas, cereales 0.35Aziicar 0.10

Para su elaboraci6n es preciso calcular el contenido de humedad y la actividad del agua en el ali-mento, cuando se alcanza el equilibrio en un sistema cerrado; para medir el primero se utilizan losmetodos tradicionales ya conocidos, y para la aa se pueden emplear diferentes sistemas basados enlas mediciones de la presi6n de vapor, de la temperatura de rocfo, del abatimiento del punto de con-gelamiento, de las temperaturas de bulbos lnimedo y seco, etcetera.32,37 Con el higr6metro, el alimentose coloca en una camara cerrada y la determinaci6n se hace en el espacio de cabeza mediante diver-sos potenci6metros que contienen compuestos higrosc6picos como el cloruro de litio 0 las resinas deintercambio i6nico, cuyas conductividades electric as cambian con la humedad relativa.

En ausencia de instrumentos, las isotermas se determinan colocando muestras del alimento endistintas camaras cerradas hermeticamente (p. ej. un desecador de laboratorio), en cuyo interior segeneran atm6sferas con una humedad relativa conocida y estable. De esta forma, al alcanzar el equi-librio se cuantifica el contenido de agua, con 10 que se obtienen los valores que se grafican; la ope-raci6n se repite con tantas humedades como se considere necesario.

Dichas atm6sferas de humedad relativa conocida se logran empleando soluciones saturadas dealgunas sales, como la del NaCl que produce una HR = 75% en el espacio de cabeza del recipientecerrado en que se encuentre; de igual manera, las disoluciones de K2C03, NaNOz, KCl y K2S04, ge-neran una HR de 43%, 65%, 85% y 97%, respectivamente.P

Con estas consideraciones, cuando se desea obtener la curva de adsorci6n se utiliza el alimentoseco con disoluciones salinas de HR altas, y cuando se quiere determinar la de desorci6n, se usa elalimento humedo con HR bajas.

La cinetica de adsorci6n de los polvos es muy importante, ya que con base en ella se diseiia elempaque y se determinan las condiciones de almacenamiento; aunque cada producto se hidrata demanera diferente, esto se puede modificar con la ayuda de aditivos, 0 manipulando las condicionesde su procesamiento. La albtimina del huevo se hidrata mas rapidamente cuando no contiene la ye"


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1.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 21

ma, posiblemente porque en esta existen lipidos que rechazan el agua; la influencia de los hidratosde carbona igualmente desempefia un papel muy importante en este comportarniento.lv 30

Los val ores de las isotermas tambien pueden determinarse con base en ecuaciones matematicas,como la de Clausius Clapeyron con la que se ca1cula la aa a cualquier temperatura cuando se cono-ce el calor de adsorci6n-desorci6n a una humedad constante.

ACTIVIDAD DEL AGUA Y ESTABILIDADDE LOSALiMENTOS

Los diversos rnetodos de conservaci6n se basan en el control de una 0mas de las variables que in-fluyen en la estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de nutrimentosy de reactivos, potencial de oxido-reduccion, presion y presencia de conservadores. En este sentido,la aa es de fundamental importancia, y con base en ella se puede conocer el comportamiento de unproducto. En la figura 1.10 aparece su relacion con el pH; la ubicacion del alimento en este sencillodiagrama da una indicaci6n clara de su estabilidad y contribuye a determinar 1a necesidad de trata-mientos termicos, de adicion de conservadores, etcetera, para prolongar la vida de anaquel.

En general, mientras mas alta sea la aa y mas se acerque a 1.0, que es la del agua pura, mayorsera su inestabilidad, por ejemplo, en carnes, frutas y vegetales frescos que requieren refrigeraci6npor esta causa. Por el contrario, los alimentos estables a temperatura ambiente (excepto los tratadostermicamente y comercialmente esteriles, como los enlatados), son bajos en aa , como sucede con losde humedad intermedia en los que el crecimiento microbiano es retardado.

Como ya se indico, en forma resumida y solo con fines didacticos, la figura 1.7 muestra la in-fluencia de la actividad del agua en varias de las reacciones quimicas y enzimaticas que ocurren enlos alimentos (oscurecimiento, rancidez, etcetera), as f como en el crecimiento de hongos, levadurasy bacterias. Esta grafica varia mucho entre los distintos productos, de acuerdo con la composicion,la homogeneidad de la distribucion de los componentes, el tipo de reaccion y otros factores, por 10que es solamente indicativa de las tendencias generales,

El contenido de agua por si solo no proporciona informacion sobre la estabilidad de un alimen-to y, por eso, productos con la misma humedad, presentan distintas vidas de anaquel; dicha estabili-dad se predice mejor con la aa .

La influencia de este parametro se ha demostrado en un gran mimero de trabajos de investiga-cion: perdida de lisina disponible," oscurecimiento no enzimatico.> degradacion de vitaminas.l"inactivacion del inhibidor de tripsina;'! destruccion de pigmentos.P produccion del aroma de pro-ductos cocidos, l7 estabilidades de pastas y harinas.i? y de las frutas.l" y en muchos otros productosy reacciones.

La estabilidad de las vitaminas esta influida por la aa de los alimentos de baja humedad; las hi-drosolubles se degradan poco a valores de 0.2-0.3, que equivale a la hidrataci6n de la monocapa, yse ven mas afectadas con el aumento de la aa . Por el contrario, en los productos muy secos no exis-te agua que actiie como filtro del oxtgeno y la oxidacion se produce facilmente.

La aa influye en el oscurecimiento no enzimatico (capitulo 2), aun cuando cada azucar tiene undistinto poder reductor que afecta la velocidad de la reacci6n. En general, la energia de activaci6n yla temperatura requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua; la velocidad seacelera de 3 a 6, cuando la as pasa de 0.35 a 0.65 y hasta tres veces por cada lOoC de incrernen-


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22 . Agua

to. Sin embargo, cuando se concentran los alimentos se abate 1aas, pero tambien se concentran los.reactivos, 10 que favorece la reacci6n por un mayor contacto; al reducir min mas el agua, se pierdemovilidad de los reactivos y se inhibe la reacci6n y por eso, en alimentos muy concentrados con azii-cares, es mas factible la caramelizaci6n que las reacciones de Maillard. Debido ala influencia del bi-nomio aa-temperatura, en el secado es recomendable reducir la temperatura del aire al final del proce-so para prevenir el oscurecimiento.?La oxidaci6n de los aceites insaturados (capitulo 4) y de otras sustancias liposolubles, como lasvitarninas y varios pigmentos, esta influida por 1aao de acuerdo con la figura 1.7, en la que se obser-


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1.10 Alimentos de humedad intermedia 23

va un fuerte incremento por debajo de la monocapa, ocasionado por una falta de agua que proteja deoxigeno a la superficie del alimento; despues disminuye con la humedad por formar dicha capa protectora, para posteriormente aumentar nuevamente debido a que el agua favorece la movilidad de lotmetales que catalizan la reacci6n para ponerse en contacto con el sustrato.P

En las enzimas, el agua acnia facilitando la integraci6n de su estructura proteinica, 1 0 que con-lleva a la formaci6n del centro activo; ademas, tambien favorece la difusi6n de los reactivos e inter-viene como tal en las reacciones de hidr6lisis. Cada enzima requiere una as para realizar su funci6nsin embargo, cuando el sustrato es lfquido, como los aceites, las lipasas necesitan solamente un mf-nimo de agua (capitulo 4), mientras que las carbohidrasas y proteasas requieren de aa mayores en unintervalo muy amplio (p. ej. desde 0.4 hasta 0.95).Para su crecimiento, los microorganismos necesitan condiciones propicias de pH, de nutrimen-tos, de oxigeno, de presi6n, de temperatura y de actividad del agua; como regIa general, esta ultimatendra que ser mayor a medida que los otros parametres se vuelvan menos favorables. Por cada 0.1unidades de aumento de tla, e1 crecimiento microbiano puede incrementarse un 100%, hasta llegara un limite. Los que mas agua requieren son las bacterias (>0.91), despues las levaduras (>0.88), yluego los hongos (>0.80); de todos, los patogenos son los que mas la necesitan para su desarrollo,situaci6n contraria a las levaduras osm6filas (cuadro 1.6). Como regIa, la (laminima para la produc-ci6n de toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano. La reducci6n de la disponibilidad deagua inhibe dicho crecimiento, pero a su vez incrementa la resistencia termica de los microorganis-mos, 1 0 que indica que para destruirlos es mejor el calor hiimedo que el calor seco."! Los microor-ganismos responden a una baja humedad, prolongando su fase inicial, bajando la fase logaritmica yreduciendo el mimero de celulas viables.

Mayoria de bacterias dafiinasMayoria de levaduras dafiinasMayoria de hongos dafiinosBacteria hal6filaLevadura osm6filaSalmonellaClostridium botulinumEscherichia coliStaphylococcus aureusBacillus subtilis

0.910.880.800.750.600.950.950.960.860.95

ALiMENTOS DE HUMEDAD INTERMEDIALos alimentos de humedad interrnedia tienen una larga vida de anaquel y no necesitan de rehidrata-ci6n 0 de enfriamiento para conservarse, por 10 que son adecuados para zonas y pafses en donde larefrigeraci6n no existe 0 es muy costosa. No hay una definici6n precisa de ellos pero se les conside-ra productos con aa de 0.65 a 0.86 y de 25 a 50% de agua. El valor de 0.86 se toma como limite, ya


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que es suficiente para inhibir bacterias pat6genas, como e1 Staphylococcus aureus,26 aunque es in-suficiente para evitar hongos y 1evaduras, por 10 que en su elaboraci6n se afiaden sorbatos y ben-zoatos.l" 15Estos productos se fabrican quitandole agua al alimento 0 adicionandole solutos altamente hidra-tables que retienen agua y reducen consecuentemente 1a aa. En el primer caso, 1a concentraci6n porevaporaci6n es muy cormin y se emplea en la leche, que de aa = 0.97 pasa a 0.80 - 0.82, con 10que seobtiene una leche evaporada con una mayor vida de anaquel; de la misma manera se fabric an merme-ladas, dulces, jaleas, nectares y otros. La reducci6n del contenido de agua provoca la concentraci6nde otras sustancias, como los acidos que abaten el pH y que tambien contribuyen ala estabilidad mi-crobiana del alimento.

La influencia de los solutos en la reducci6n de la actividad del agua en un alimento es muy com-pleja; la ecuaci6n (1) se refiere a sistemas ideales, muy simples, de los cuales no existen muchos. S6-10 como un ejemplo de aplicaci6n de dicha formula, considerese un litro de agua pura, por 10 queMs = 0 y por tanto aa = 1.0; si se le afiaden 2 moles de sacarosa (684 g, pm = 342), la au = 0.96,ya que Ma = 55.5 (1,000/18). Si fuera almid6n (pm> un millen), se requeriria una mayor cantidadpara lograr el mismo valor, 10que indica la gran influencia de los solutos de bajo pm. Las desviacio-nes de la ecuaci6n (1) en un alimento se comprueban facilmente, y son mas notorias mientras mascomplejo sea este.

Los solutos de bajo pm se seleccionan de acuerdo con su solubilidad, eficiencia, sabor, com-patibilidad, pH, costo, regulaciones, etcetera; se tienen, por ejemplo, azucares (sacarosa, glucosa,fructosa, maltosa y lactosa), sales (cloruros de sodio y de potasio y varios fosfatos), polialcoholes(sorbitol, glicerina, manitol y propilenglicol), acidos (fosf6rico, lactico, citrico, asc6rbico y fumari-co), hidrolizados de protema, etcetera.l+ 16.38, 39Es claro que la concentraci6n requerida para cadauno de ellos depende de muchos factores, como el sabor. Por ejemplo, para reducir la actividad del aguade un carnico con la sola adici6n de NaCl, se necesitaria tal concentraci6n de sal que volveria el pro-ducto imposible de comer. La combinaci6n de estas sustancias, junto con los conservadores y otrosagentes, provoca la estabilidad de los alimentos de humedad intermedia.

Al ser un potencial quimico, la diferencia de ao que existe entre el exterior y el alimento, 0 in-cluso entre sus propios ingredientes, causa la migraci6n del agua. El material del envase es funda-mental, ya que si este es permeable y el alimento se almacena en una atm6sfera de HR mayor que lade equilibrio, habra una migraci6n hacia el interior (higroscopicidad), y la aa se incrementara; por elcontrario, si la humedad externa es inferior, se deshidratara. Aun cuando el material de empaque seatotalmente impermeable, la actividad del agua puede incrementarse con la temperatura (figura 1.9).En cualquier caso, el alimento tendra una aa distinta que favorecera el crecimiento de microorganis-mos 0 de reacciones indeseables.

Por otra parte, esta transferencia de agua tambien ocurre internamente entre los constituyentesde un alimento, como sucede en las barras de los cere ales con algunos componentes de humedad in-termedia. El exterior es una galleta seca con 0.3 de aa (bajo potencial quimico), mientras que el re-lleno de frutas es de 0.7 (alto potencial qufmico), 0 mas. Este diferencial provoca la migraci6n deagua y la hidrataci6n de la galleta, 10 que conlleva a una reducci6n de su crujencia y facilita la oxi-daci6n de sus grasas. Al reducirse el contenido de humedad del relleno, su aziicar cristaliza y liberamas agua, 10que a su vez aumenta la aa y acelera su migraci6n.

Es posible que un alimento tenga dos componentes, uno con 15% y otro con 25% de humedad,y la transferencia se haga del menor al mayor debido a sus distintas aa , y no con base en sus conte-nidos de agua.Ademas de los alimentos, muchos productos y preparaciones comerciales de pigmentos y de vi-taminas alcanzan su mayor estabilidad cuando se les ajusta la actividad del agua en el intervalo delos de humedad intermedia.


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1.12 E I agua en la industria alimentaria 2

CONGELAMIENTO DE LOSALiMENTOSDe acuerdo con la ecuaci6n de Arrhenius, la reducci6n de la temperatura inhibe las reacciones qumicas y enzimaticas y el crecimiento microbiano, aun cuando en la refrigeraci6n (0 - lOC) yen 1congelaci6n DoC) tambien se desarrollan. Esto se debe, en parte, a que los alimentos, por tentdisueltas sustancias de bajo peso molecular, como sales y azticares, presentan zonas ric as en solutecuya temperatura de congelaci6n se abate considerablemente y no toda el agua se convierte en hit10 en el congelamiento, sino que quedan secciones liquidas ricas en solutos.En el cuadro 1.3 se muestra el agua no congelada en dos productos lacteos a distintas temperanras, asf como los s6lidos disueltos que contienen; a medida que disminuye la temperatura tambien sreduce la proporci6n de agua no congelada, aunque aumenta la concentraci6n de los solidos disuelto:

En el microambiente de la fase no congelable, diferente al resto del alimento, se modifica el pH, Jconcentraci6n de reactivos, la aa, la fuerza i6nica, la viscosidad, el potencial de oxidacion-reducciorla solubilidad del oxigeno, la tensi6n superficial, etcetera; en consecuencia, en estas condiciones,pesar de la baja temperatura, pueden ocurrir muchas reacciones quimicas tales como la desnaturalizaci6n de las protefnas, la oxidaci6n de los lipidos, la hidrolisis de la sacarosa, el oscurecimiento nenzimatico, etcetera.

La estabilidad y las propiedades de las macromoleculas dentro de las celulas de los alimentodependen de la interacci6n de sus grupos reactivos con la fase acuosa que los rodea; el congelamiento provoca un aumento de 8 - 10% del volumen, altera dichas interacciones y los cristales de hielmodifican la textura en frutas, hortalizas y carnicos. La turgencia de los tejidos esta determinada pcla presi6n hidrostatica de las celulas, y es la membrana la que retiene el agua y por 10 tanto la qumantiene la frescura. Los componentes de las membranas son lipoprotefnas formadas por enlaces debiles (puentes de hidr6geno y uniones hidr6fobas) muy dependientes de la temperatura, 10 que COlilleva a su facil disociaci6n y a la liberaci6n de agua durante el descongelamiento; esto ocasiona qulos tejidos de los alimentos pierdan su rigidez y frescura y, en ocasiones, se eliminen nutrimentoscomo vitaminas hidrosolubles, en el agua de descongelamiento. Debido a esto, algunas fiutas congeladas, como las fresas, se sirven parcialmente descongeladas en los restaurantes para evitar que aconsumidor Ie llegue un producto sin estructura celular como el que se presenta cuando se descongela totalmente.

La velocidad de congelamiento determina la formaci6n y localizacion de los cristales de hielocuando se hace rapidamente (minutos a muy baja temperatura), se producen muchos cristales pequefios tipo aguja a 10 largo de las fibras musculares de la carne; por el contrario, si se efecnia en formlenta, se induce un menor mimero de cristales pero de mayor tamafio, de tal manera que cada celula contiene una sola mas a central de hielo. El congelamiento lento es mas dafiino que el rapido y:que afecta mayormente la membrana celular y adernas establece cristales intercelulares que tienen I:capacidad de unir las celulas e integrar grandes agregados.

Los cristales de hielo no mantienen un tamafio constante en el almacenamiento a bajas temperaturas, sino que contimian creciendo a expensas de los de menor tamafio, debido a que estos tieneiun area mayor que los grandes que aumenta su presi6n de vapor y, por 10 tanto, las moleculas de agu:migran mas facilmente.

ELAGUA EN LA INDUSTRIA ALiMENTARIANingiin recurso ambiental presenta tantos usos como el agua. En una planta de alimentos se emple,en la produccion, en la formulacion, en el transporte de vegetales, en la generaci6n de vapor, en 101


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servicios (banos, regaderas, riego, etcetera), en los sistemas de enfriamiento, en ellavado de equipoy maquinaria, etcetera. Su extracci6n se vuelve cada dfa mas complicada y costosa, sobre todo enpafses como Mexico, en donde se requiere perforar varios cientos de metros para alcanzar el precia-do liquido, Por estas razones, es de suma importancia implementar programas de ahorro, asf comode optimizaci6n de procesos y de reutilizaci6n para disminuir el consumo.

En muchas ocasiones, el agua es la causa de reacciones que reducen las propiedades sensoria-les y el valor nutritivo de los alimentos, por 10que es necesario tener un control adecuado de su cali-dad, sobre todo de la que esta en contacto directo. No solamente los microorganismos presentes pue-den causar dafios, sino que las sales y los iones que contiene tambien ocasionan problemas, como esel caso del hierro, que cataliza las reacciones de oxidaci6n de moleculas insaturadas, produciendorancidez y decoloraci6n de diferentes pigmentos. Asimismo, el cobre tambien propicia reaccionessemejantes y de destrucci6n de vitaminas, como la C. La reactivaci6n de algunas enzimas de los ali-mentos tratados termicamente, puede acelerarse con la presencia de cationes como calcio y magne-sio provenientes del agua empleada.El agua dura, ademas de dificultar ellavado de los equipos con detergentes, provoca que se de-posite carbonato y sulfato de calcio en las paredes de los intercambiadores de calor, los pasteuriza-dores, las calderas, etcetera, ocasionando una reducci6n en el area de transferencia de calor. De igualmanera, en el escaldado de vegetales reduce la absorci6n de agua y modifica sus caracteristicas detextura. Sin embargo, en el caso de las frutas que contienen pectinas, los iones divalentes producenuna mayor rigidez.Las aguas de pozos profundos contienen muchos bicarbonatos de hierro y manganese que sonsolubles e incoloros, pero que al oxidarse en presencia de aire producen precipitados de color ama-rillo-rojo y gris-negro por la formaci6n de sus respectivos hidr6xidos. Tambien, el betabel tiene unagran cantidad de oxalatos que forman precipitados blancos cuando interaccionan con los iones cal-cio 0 magnesio. Debido ala contaminaci6n industrial de los mantos acuiferos, el agua tambien pue-de impregnar olores y sabores indeseables a los alimentos. El eloro y los fenoles se perciben en con-centraciones men ores a 1 ppm.

Asf como en la industria alimentaria se consume mucha agua, tambien se generan efluentes quecontaminan los nos, lagos, mantos acufferos, mares, etcetera, si previamente no son tratados. Esta con-taminaci6n es muy significativa en terminos de la gran variedad de compuestos y del enorrne impac-to que tienen en los ecosistemas. Las autoridades federales requieren que se cumpla con los valoreslimite de ciertos parametres para poder descargar las aguas residuales, tales como grasas y aceites,s6lidos sedimentables, pH, temperatura, divers os elementos (As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn), deman-da bio16gica de oxtgeno, solidos suspendidos totales y demanda qufrnica de oxigeno.

Para cumplir con dichos parametros, se emplean diversos procesos ffsicos (sedimentaci6n, flo-taci6n), qufrnicos (coagulacion, cambio i6nico y ajuste de pH) y bio16gicos (digesti6n microbiana),generalmente en combinaci6n. En los dos primeros se utilizan las propiedades ffsicas y qufmicas delos propios residuos para separarlos, rnientras que en el bio16gico los efluentes organicos son inocu-lados con rnicroorganismos para producir biomasa que posteriorrnente se separa como un s61ido hurne-decido. Las aguas tratadas provenientes de estos sistemas se reutilizan en diversos servicios de lasfabricas, como en calderas, riego, banos, etcetera, con 10 cual se contribuye a reducir la sobreexplo-taci6n de los mantos acufferos.

agua en los alimentos broma

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