UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIALA MOLINA

FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

CURSO : QUÍMICA DE ALIMENTOS

TEMA : DETERMINACIÓN DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIÓN Y DEL VALOR DE LA COBERTURA MONOMOLECULAR.

PROFESOR : BRICEÑO

ALUMNOS :-- PUMA ISUIZA, GUSTAVO 20090468--

La Molina, Setiembre del 2011

I. INTRODUCCIÓN

La conservación de los alimentos durante periodos prolongados ha sido

desde tiempos inmemorables un objetivo a seguir, para ello a lo largo de la

historia se han investigado métodos q permiten alargar la vida útil de los

mismos. En la conservación de los alimentos el agua es el elemento más

importante en su estabilidad. Así este elemento retarda la oxidación de los

lípidos, favorece la acción enzimática, favorece el desarrollo de mircroorganos

y entre ciertos límites favorece las reacciones a través de la Martos del

alimento.

Por lo expuesto se afirma que la calidad de los alimentos puede mantenerse

si el nivel de humedad es el adecuado para minimizar todas estas reacciones.

La humedad del alimento no es un parámetro de control de calidad confianble,

por ello es indispensable conocer el valor de la actividad del agua de un

alimento. Para ello, es necesario determinar isotermas de adsorción. Las

isotermas relacionan el contenido de humedad de un alimento versus su

actividad de agua y también establecen los niveles de humedad que

corresponden a la cobertura monomolecular; agua presente en multicapas,

agua condensada en capilares y agua libre.

La práctica tuvo como objetivo determinar experimentalmente la

capacidad hidrográfica del alimento y conocer una metodología y procedimiento

para determinar isotermas de absorción del alimento escogido, además

determinar mediante la ecuación de B.E.T. y G.A.B. el valor de monocapa y

poder predecir la humedad adecuada de almacenamiento a ciertas

condiciones.

II. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1. ACTIVIDAD DE AGUA

La actividad de agua de un alimento o solución se define como la

relación entre la presión de vapor del agua del alimento (p) y la del agua pura

(po) a la misma temperatura. (Becke, 1999)

Aw = p/po

El valor de la Aw nos da una idea de la cantidad de agua disponible

metabolicamente. La actividad de agua está relacionada con el de la humedad

relativa de la siguiente manera:

HR = Awx100

Los factores que reducen la presión de vapor de agua en los alimentos y

por lo tanto la Aw , son la adsorción de las moléculas de agua a las superficies,

las fuerzas capilares y las sustancias disueltas.

La Aw también depende de la temperatura dada ya que esta influye sobre la

presión de vapor de agua de las soluciones; pero el efecto es pequeño con la

mayoría de los solutos salvo que las soluciones saturadas. En tales casos la

Aw puede variar marcadamente con la tempreratura. (Becke, 1999)

El agua de la zona II consta del agua de la zona I más el agua añadida.

El agua añadida de la zona II ocupa los restantes sitios de la primera capa y

varias capas adicionales en torno a los grupos hidrofílicos del sólido,

designándose agua multicapa. El agua multicapa se asocia con las moléculas

vecinas por enlaces de hidrógeno agua- agua y agua- soluto, no congelando la

mayor parte de esta agua a –40 °C. El agua de las zonas I y II normalmente

suponen menos del 5 % del agua de un alimento de alta humedad.

El agua de la zona III consta del agua de las zonas I y II más el agua añadida.

El agua de añadida de la zona III es el agua menos fuertemente ligada y más

móvil (molecularmente) y se designa agua de la fase masiva. Ésta agua es

congelable, es utilizable como solvente y suficientemente abundante para

permitir que las reacciones químicas y el crecimiento microbiano ocurran

rápidamente. El agua de la zona III, bien atrapada o bien libre, asciende a más

del 95% del agua total de un alimento de alta humedad. (FENNEMA, 1993)

Servil (2006) clasifica a la isoterma de humedad en 3 tipos I, II, III; los

cuales se aprecian en la Figuara Nº1 La isoterma tipo I, corresponde a

sustancias cristalinas tales como los azúcares. En este caso la estructura

cristalina no permite el acceso de la molécula de agua a todos sitios activos

que potencialmente podrían interaccionar con ella, pero a medida que la

actividad de agua aumenta, comienza a ocurrir la disolución de la estructura

cristalina, permitiendo una mayor interacción con las moléculas y

eventualmente la formación de una solución.

La isoterma tipo II, corresponde a la gran mayoría de los alimentos, donde la

complejidad de los alimentos y el distinto tipo de moléculas explican la forma de

la curva.

La isoterma tipo III, corresponde a algunos aditivos, este tipo de compuestos

tienen gran afinidad por las moléculas de agua, es decir poseen un gran

número de aditivos activos donde puede ser adsorbida el agua, sin aumentar

apreciablemente la actividad de agua.

Figura Nº 1: Tipos de Isotermas

Según CHEFTEL (1976), las isotermas de sorción son útiles por muchos

motivos. En primer lugar corroboran, en varios casos, las interpretaciones

teóricas y permiten por ejemplo, calcular el número de sitios activos o la

superficie efectiva de un producto.

En segundo lugar las isotermas permiten prever la actividad de agua de

mezclas de diversos ingredientes, más o menos húmedos.

El tercer aspecto es de interes práctico:

- Las curvas de adsorción permiten preveer la influencia de las

variaciones de humedad relativa del ambiente, sobre el contenido en

agua de un producto no protegido; indicando así la higroscopocidad de

un producto.

- Si la deshidratación de un producto se llevó más allá de su punto óptimo

Mo, se puede preveer la rehumidificaión hasta un contenido de agua

correspondiente a Mo.

- Si el producto está empacado en un embalaje que posee cierta

permeabilidad al vapor de agua se puede calcular también la cantidad

adsorbida en función del tiempo de almacenamiento.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

3.1. MATERIALES.- Los materiales que se usaron en el presente experimento fueron los

siguientes:

- Alimento (Galleta)

- Cámara con temperatura regulable

- Placas petri

- Desecadores con soluciones saturadas:

Acido sulfúrico

Cloruro de litio

Acetato de potasio

Cloruro de magnesio

Bicromatro de sodio

Nitrito de sodio

Cloruro de sodio

Cromato de potasio

Nitrato de potasio

Agua

3.2 MÉTODOS.-

La metodología, con la que se realizó el experimento, fue la siguiente:

Se pesó aproximadamente un 1g de muestra (quinua avena) para introducirla

en un desecador, el cual contenía una sustancia saturada con una humedad

relativa conocida. Pasado 96 horas (cuatro días) se retiraron las placas de la

cámara y en seguida se procedió a pesarlas. Se hizo dos repeticiones para

cada muestra saturada; obteniendo así veinte valores experimentales. En

simultáneo con este procedimiento, se halló la humedad de la galleta. Para

ello, se hizo tres repeticiones, en las cuales se pesó aproximadamente 5,0

gramos de la muestra; para luego introducirlas a la cámara térmica. Pasadas

las 24 horas, se procedió a retirar las placas y pesarlas. Por último, se

realizaron los cálculos y las gráficas para hallar la cobertura monomolecuar y la

isoterma de adsorción, respectivamente.

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 RESULTADOS

Cuadro 1: Humedad Relativa De Diversas Soluciones Saturadas

SOLUCIÓN SATURADA HUMEDAD RELATIVA (%) A 37° C

Acido Sulfúrico 0

Cloruro de litio 11

Acetato de Potasio 20.4

Cloruro de Magnesio 32

Bicromato de Sodio 50.3

Nitrito de Sodio 62.4

Cloruro de Sodio 75.1

Nitrato de potasio 93

Cromato de potasio 94

Agua 100

Cuadro 2: Cálculo De La Humedad Promedio

Envase 57,9985 69,03463 75,4465Muestra 5,0094 5,0175 5,0009Envase + Muestra 63,0079 74,05213 80,4474Envase + Muestra (12h.) 62,8461 73,8851 80,2825Humedad (b. h.) 3,22992774 3,32894868 3,29740647Promedio Humedad (%) 3,285427627

Por lo tanto:

Cuadro 3: Datos de la prueba para hallar la humedad de la galleta.

Nº W Placa+Muestra Solucion saturada HR(%) a`w Placa+Muestra Agua inicial W materia

Humedad % = (3,2299+3,3289+3,29740)/3 =  3.2854% de humedad de la galleta

Placa placa(g) Tº 25C a 38h. seca (g)11 13,8684 15,891 Acido sulfúrico

015,8678 0,06532998 1,95727002

20 19,1621 21,184 21,1609 0,06530737 1,9565926313 20,1917 22,1987 Cloruro de litio

0,1122,1951 0,0648261 1,9421739

5 19,4646 21,4808 21,4765 0,06512326 1,951076748 13,249 15,266 Acetato de potasio

0,2315,2929 0,0651491 1,9518509

24 18,0068 20,023 20,0505 0,06512326 1,951076744 18,5044 20,5007 Cloruro de

magnesio 0,3320,5436 0,06448049 1,93181951

19 14,5896 16,5854 16,627 0,06446434 1,9313356627 27,1367 29,1397 Bicromato de

sodio 0,529,252 0,0646969 1,9383031

16 19,3616 21,3646 21,4764 0,0646969 1,938303110 18,6834 20,6861 Nitrito de sodio

0,6420,8609 0,06468721 1,93801279

Blanco 18,9819 20,9834 21,157 0,06464845 1,93685155Blanco 19,0889 21,0986 Cloruro de sodio

0,7521,4063 0,06491331 1,94478669

18 19,1649 21,1665 21,4961 0,06465168 1,9369483210 19,5658 21,5016 Cromato de

potasio 0,8721,8193 0,06252634 1,87327366

11 13,2167 15,2263 15,5292 0,06491008 1,94468992m2 23,1328 25,1338 Nitrato de potasio

0,9325,7871 0,0646323 1,9363677

blanco 17,962 19,9624 20,5207 0,06461292 1,935787083 18,9015 20,9128 Agua

121,4191 0,06496499 1,94633501

6 19,5053 21,5184 22,0313 0,06502313 1,94807687

Cuadro 4: Datos obtenidos después de sacar la muestra del desecador.

Soluciónsaturada

Nº Placa

Agua adsorbida

Agua total(agua inicial + agua

a`w Humedad equilibrio (M) ( B.S.)

Mx (g .agua/g materia seca(promedio)

adsorbida)

Acido sulfúrico 11 -0,0232 0,042129980

0,0215248690,0215483720 -0,0231 0,04220737 0,021571874

Cloruro de litio 13 -0,0036 0,06122610,11

0,031524520,031349365 -0,0043 0,06082326 0,031174202

Acetato de potasio 8 0,0269 0,09204910,23

0,0471599030,047316424 0,0275 0,09262326 0,047472894

Cloruro de magnesio 4 0,0429 0,107380490,33

0,0555851570,0552513819 0,0416 0,10606434 0,054917611

Bicromato de sodio 27 0,1123 0,17699690,5

0,0913153880,0911864116 0,1118 0,1764969 0,091057431

Nitrito de sodio 10 0,1748 0,239487210,64

0,1235735960,12329085Blanco 0,1736 0,23824845 0,123008111

Cloruro de sodio Blanco 0,3077 0,372613310,75

0,1915959790,1975693418 0,3296 0,39425168 0,203542694

Cromato de potasio 10 0,3177 0,380226340,87

0,2029742630,1960549311 0,3029 0,36781008 0,189135592

Nitrato de potasio m2 0,6533 0,71793230,93

0,3707623820,34627516blanco 0,5583 0,62291292 0,321787931

Agua 3 0,5063 0,571264991

0,2935080480,295085736 0,5129 0,57792313 0,296663411

Cuadro 5: Interpolación con los datos del cuadro 4 para hallar los valores de M corregidos (M`)

Cuadro 6: Gráfica de M’ vs Actividad de agua

M´ Aw´0,021548371 00,030458362 0,10,031349361 0,110,043324639 0,20,047316399 0,230,049696894 0,30,055251384 0,330,070048159 0,40,091186409 0,50,114118155 0,60,123290853 0,64

Cuadro 7: Datos para la ecuación de B.E.T

Aw´ M´ Corregido A´w/ M` (1-A`w )0,1 0,030458362 3,64796740,2 0,043324639 5,77038850,3 0,049696894 8,62370650,4 0,070048159 9,51726180,5 0,091186409 10,9665470,6 0,114118155 13,144271

CUADRO 8: Gráfica de B.E.T para valores de A´w de 0.1 a 0.6

De la ecuación de B.E.T del gráfico se tiene:

y = 2.2153 + 18.275 x

Entonces, se puede deducir que:

2.2153 = 1/m´c m´c = 0.451418.275 = (c-1) /m`c c= (18.275*0.4514)+1= 9.2493

Luego: m´c = 0.4514 m = 0.4514 / 9.2493 = 0.0488

Entonces tenemos que los valores de "c" y de "m" en la fórmula son:

c = 9.2493 constante energética m´= 0.0488 valor de cobertura monomolecular

Ecuación de G.A.B:

Cuadro 9: Interpolación con los datos del cuadro 4 para hallar los valores corregidos

CUADRO 10: Valor de la monocapa versus Aw/m

M´ Aw´0,021548371 00,030458362 0,10,031349361 0,110,043324639 0,20,047316399 0,230,049696894 0,30,055251384 0,330,070048159 0,40,091186409 0,50,114118155 0,60,123290853 0,64

0,16380639 0,70,197569337 0,750,196938333 0,80,196054928 0,870,301209088 0,90,346275156 0,93

0,29508573 1

Aw´M´ Corregido Aw/M´

0,1 0,030458362 3,28317070,2 0,043324639 4,61631080,3 0,049696894 6,03659450,4 0,070048159 5,71035710,5 0,091186409 5,48327330,6 0,114118155 5,25770850,7 0,16380639 4,27333760,8 0,196938333 4,06218530,9 0,301209088 2,9879577

1 0,29508573 3,3888457

CUADRO 11: Grafico de Aw vs Aw/M´ ( Gráfica de GAB)

De acuerdo a la ecuación:

)1)(1( 1

01

wwW

W

kackakaakmC

m

Cm211

0

11

0 Cmk

kCm0

1

kCma

Cma

Cmk

ma

www

00

2

0

121111

www aama 2

De la regresión polinomial:

y = -15.396 x2 + 14.259 x + 2.3804

Tenemos que:

Donde α = - 15.396

Donde β = 14.259

Donde ε = 2.3804

Cálculo de los parámetros de la ecuación de GAB

De las ecuaciones se puede deducir que:

Los valores de mo, c y k son:

242

kDonde k = 0.9340 (Factor de corrección)

)1)(1( 1

01

wwW

W

kackakaakmC

m

2k

C

Donde c = 8.4135 (Constante de

Guggenhein)

kCm

1

0

Donde mo = 0.0534 (Valor de monocapa)

Cuadro 12: Constantes obtenidas para B.E.T Y G.A.B

B.E.Tm´ 0.0488 c 9.2493

G.A.Bm° 0.0534c 8.4135k 0.9340

%HUMEDAD 3.3347

0.33347

Calculo de la actividad de agua experimental:

De la ecuación de G.A.B:

Reemplazando los valores obtenidos de GAB (k=0.9340, mo =0.0534, c =8.4135) en la ecuación y desarrollándola, se tiene:

Awexperimental = 0.9025

De la ecuación de B.E.T

Reemplazando los valores obtenidos de BET (c=9.2493, m´=0.0448) en la ecuación y desarrollándola, se tiene:

Awexperimental =0.2474

DISCUSIONES.

Cuadro Nº1: Valores de humedad

Fuente: Badui

El valor de humedad teórico para una galleta, en general, es de 0.35. La

humedad que se halló en el laboratorio fue de 0.33. Por lo tanto, se

cometió un error del 5.7%. Este valor se pudo haber reducido si se

tenía un estricto control en los pesos de las muestras de galleta, y si se

hubiera trabajado con los valores de humedad relativa de las soluciones

saturadas correspondientes a la temperatura real (23ºC) con que se

llegó al equilibro de presiones.

Cuadro Nº2: Valores de Aw Fuente: Badui

Según Bell y Labuza, 2000. La ecuación de B.E.T es aplicable

únicamente para valore de aw entre 0 y 0,5 mientras que la ecuación de

G.A.B puede aplicarse para valores de aw superiores a este rango.

Esta afirmación concuerda con los valores obtenidos en el presente

experimento; ya que con la ecuación de G.A.B se produce un error

relativo de más del 100%. Por el contrario, con la de B.E.T reportó una

actividad de agua de 0.25 que relacionándolo con el valor tabular del

cuadro Nº2 se tiene un error relativo de 28.57%.

- Según CHEFTEL (1976), Si el producto está empacado en un embalaje

que posee cierta permeabilidad al vapor de agua puede variar, y también

la cantidad adsorbida en función del tiempo de almacenamiento. Se

puede evitar que la Actividad del alimento cambie utilizando empaque

impermeables, evitando así que el vapor de agua ingrese y se adsorba.

V. CONCLUSIONES

El experimento realizado se basa en el hecho de que asumimos que

toda el agua no constitucional de alimento (en el que se producen todas

las reacciones hidrofilicas, oxidativas y enzimáticas) es atraída con la

misma intensidad por los solutos, a excepción del valor de la monocapa.

Esta definición no es del todo correcta, dado que el agua vecinal y de

multicapas se atrae con una fuerza que difiere de la del agua en fase

masiva; por lo que nuestra isoterma de adsorción B.E.T no sería una

línea recta exacta. Esta es la razón del por qué la ecuación “lineal”

B.E.T. es usada hasta los valores de 0.5 (los valores de monocapa

alcanzan generalmente desde 0.25 -0.3 o 0.35)

Para hallar la actividad de agua de una galleta, es conveniente trabajar

con la ecuación de B.E.T, pues su actividad está en el rago de 0 a 0.5.

Ello originaria una menor oscilación del error relativo y se tendrían

valores más confiables; Con los cuales se podría eligir el tratamiento

tecnológico más adecuado para el alimento.

En el caso de hacerse una gráfica Adsorción vs Desorción no tiene un

fin más que de puramente práctico; dado a que el fenómeno de

Histéresis se da cuando el deshidratado se da por debajo del nivel de la

monocapa. Por lo tanto este tipo de deshidratado implica “retirar” el agua

constitucional del alimento, cosa que no es posible según lo estudiado.

Las constates usadas para hallar las ecuaciones G.A.B. y B.E.T. varían

con cada alimento, por que los diferentes solutos alteran de diversas

maneras las propiedades coligativas del agua (esto depende entre otras

cosas que tan afines son con las moléculas polares), y también por la

cantidad de sitios activos que se disponga (por ejemplo las sustancias

cristalinas no permiten el acceso del agua a dichos sitios activos

fácilmente)

La razón por la que se da la transferencia de agua cuando 2 “fases” (en

este caso las atmósferas producidas por las soluciones saturadas y la

galleta) tienen una humedad diferente se debe a que las presiones

parciales del vapor del agua en ambos no son iguales, dándole al vapor

de agua la facilidad de “escapar” hasta llegar a la estabilidad. (En la

Industria Alimentaria logramos la estabilidad del producto modificando la

atmósfera en la que se almacena, evitando así que el agua se adsorba o

desorba)

VI. BIBLIOGRAFIA

Cheftel, Jean Claude; Cheftel Henri. 1976. Introducción dela bioquímica

tecnología de los alimentos. Volumen I. Editorial Acribia. Zaragoza -

España.

Fennema, O. 1993. Química de los alimentos. Editorial Acribia. Zaragoza

- España.

Serpil Sahin, Servet Gülüm Sumnu. 2006. Physical properties of

foods.257 páginas

Salvador Badui Dergal.2006.Quimica de los alimentos. 4a edición. 730

páginas. Editorial.Pearson - Mexico