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En esta nueva edicin de Qumica de los alimentos, totalmente ac-tualizada, participan prestigiosos investigadores-profesores dereconocidas instituciones educativas. Aunque se mantiene laestructura del libro, se han revisado, concienzudamente y demanera individual, cada uno de los componentes de los alimen-tos: agua, hidratos de carbono, protenas, lpidos, enzimas, vitami-nas, nutrimentos inorgnicos, color y sabor, as como el estado dedispersin en el que se integran dichos componentes. Asimismo,se mantienen los temas referentes a la leche y a la soya, comoejemplos de aplicacin de los conceptos explicados en otraspartes del libro.

Adicionalmente, se han incluido dos captulos nuevos: uno sobrelos txicos que se encuentran en los alimentos y los que se gene-ran durante su procesamiento, y otro sobre los alimentos transg-nicos, tema que en los ltimos aos ha tenido gran relevancia yque seguramente impactar fuertemente en todo lo relacionadocon la tecnologa de los alimentos.

Cuarta edicin

Salvador Badui Dergal

Badui

Cuartaedicin

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Qumica de los alimentosCuarta edicin

Qumica de los alimentosCuarta edicin

Salvador Badui DergalDirector Tcnico

Grupo Herdez, S.A. de C.V.

REVISIN TCNICA:Hctor Cejudo Gmez

Coordinador de la licenciatura en Ingeniera de AlimentosDepartamento de Ingeniera y Ciencias Qumicas

Universidad Iberoamericana, campus Ciudad de Mxico

Captulo 1Dr. Salvador Badui DergalGrupo Herdez, S.A. de C.V.

Captulo 2Dra. Sara Esther Valds Martnez Facultad de Estudios SuperioresCuautitln Universidad Nacional Autnoma deMxico

Captulo 3 Dra. Amanda Glvez MariscalDra. Idalia Flores ArgelloDra. Amelia Farrs Gonzlez SaraviaDepartamento de Alimentos yBiotecnologaFacultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma deMxico

Captulo 4 Dr. Salvador Badui DergalGrupo Herdez, S.A. de C.V.

Captulo 5 Dra. Maricarmen Quirasco Baruch Departamento de Alimentos yBiotecnologaFacultad de QumicaUniversidad Nacional Autnoma deMxico

Dr. Agustn Lpez-Mungua CanalesInstituto de BiotecnologaUniversidad Nacional Autnoma deMxico

Captulo 6 Dr. Salvador Badui DergalGrupo Herdez, S.A. de C.V.

Captulo 7 Dra. Isabel Guerrero LegarretaDepartamento de BiotecnologaUniversidad Autnoma MetropolitanaUnidad Iztapalapa

Dra. Elosa Lpez HernndezDivisin Acadmica de CienciasAgropecuariasUniversidad Jurez Autnoma deTabasco

Dr. Roberto E. Armenta LpezFood Technology CentreCharlottetown, Prince Edward Island,Canad

Captulo 8 Dra. Edith Ponce Alquicira Departamento de BiotecnologaUniversidad Autnoma MetropolitanaUnidad Iztapalapa

Captulo 9Dr. Salvador Badui DergalGrupo Herdez, S.A. de C.V.

Captulo 10 Dr. Jos Gerardo Montejano Gaitn Instituto Tecnolgico y de EstudiosSuperiores de MonterreyCampus QuertaroCaptulo 11 Dr. Pedro Valle Vega Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma deMxico

Captulo 12 Dr. Salvador Badui DergalGrupo Herdez, S.A. de C.V.

Captulo 13 Dr. Salvador Badui DergalGrupo Herdez, S.A. de C.V.

Captulo 14 Dra. Amanda Glvez Mariscal M. en C. Alejandra Barrios PrezQ.A. Ana Berenice de la BarreraAvils Departamento de Alimentos yBiotecnologaFacultad de QumicaUniversidad Nacional Autnoma deMxico

Con la colaboracin de:

Datos de catalogacin bibliogrfica

BADUI DERGAL, SALVADOR

Qumica de los alimentos. Cuarta edicinPEARSON EDUCACIN, Mxico, 2006 ISBN: 970-26-0670-5 rea: QumicaFormato: 18.5 23.5 cm Pginas: 736

Editor: Enrique Quintanar Duartee-mail: enrique.quintanar@pearsoned.com

Editor de desarrollo: Miguel B. Gutirrez HernndezSupervisor de Produccin: Jos D. Hernndez GarduoDiseo 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 pisoCol. Industrial Atoto53519, 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 porningn 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 laautorizacin 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

Captulo 1 Agua 1

1.1 Introduccin 11.2 Fuentes de agua para el ser humano 21.3 Propiedades del agua 3

1.3.1 Propiedades fisicoqumicas 61.4 Estados fsicos del agua 91.5 Efecto de los solutos en el agua 111.6 Distribucin del agua en los alimentos 131.7 Actividad del agua 151.8 Determinacin de las curvas de adsorcin y desorcin 191.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 21

1.10 Alimentos de humedad intermedia 231.11 Congelamiento de los alimentos 251.12 El agua en la industria alimentaria 25

Referencias bibliogrficas 27

Captulo 2 Hidratos de carbono 29

2.1 Introduccin 292.2 Clasificacin y nomenclatura 302.3 Monosacridos 31

2.3.1 Distribucin en la naturaleza 322.3.2 Estructura qumica 34

2.4 Aminoazcares 372.5 Desoxiazcares 392.6 Azcares-alcoholes o polioles 402.7 Glucsidos 412.8 Oligosacridos 47

2.8.1 Sacarosa 482.8.2 Maltosa 522.8.3 Lactosa 532.8.4 Otros oligosacridos 53

2.9 Reacciones qumicas de los monosacridos 562.9.1 Por lcalis 562.9.2 Por cidos 572.9.3 Por altas temperaturas 57

v

Contenido

2.9.4 Otras reacciones 582.9.5 Reacciones de oscurecimiento o de empardeamiento 59

2.10 Tecnologa de los azcares 722.10.1 Conservacin 722.10.2 Cristalizacin 722.10.3 Hidratacin 732.10.4 Poder edulcorante 73

2.11 Polisacridos 752.11.1 Celulosa 782.11.2 Hemicelulosa 802.11.3 Almidn 812.11.4 Pectinas 922.11.5 Glucgeno 972.11.6 Gomas 972.11.7 Fructosanas 1062.11.8 Otros polisacridos 106

2.12 Fibra 107Referencias bibliogrficas 109

Captulo 3 Protenas 119

3.1 Introduccin 1193.2 Aminocidos 121

3.2.1 Del gen a la protena 1243.2.2 Esteroqumica de los a-Aminocidos 1273.2.3 Clasificacin de los aminocidos 1283.2.4 Reactividad qumica 1293.2.5 Propiedades cido-base 130

3.3 Pptidos y enlace peptdico 1323.3.1 Estabilidad y formacin del enlace peptdico 135

3.4 Deteccin y cuantificacin de aminocidos pptidos y protenas 1383.4.1 Reacciones qumicas de los grupos funcionales de las protenas 142

3.5 Organizacin estructural 1533.5.1 Estabilidad de la estructura protenica 1533.5.2 Estructura primaria 1543.5.3 Estructura secundaria 1553.5.4 Estructura terciaria 1613.5.5 Estructura cuaternaria 163

3.6 Desnaturalizacin 1643.6.1 Termodinmica de la desnaturalizacin 1653.6.2 Desnaturalizacin por cambios de temperatura 1673.6.3 Desnaturalizacin por cambios de pH 1703.6.4 Desnaturalizacin por urea y cloruro de guanidinio 1703.6.5 Desnaturalizacin con detergentes 1713.6.6 Desnaturalizacin con disolventes orgnicos 1723.6.7 Efecto de la adicin de sales en la solubilidad de las protenas 1733.6.8 Inactivacin mecnica 1763.6.9 Protelisis 176

vi Contenido

3.7 Modificaciones qumicas 1763.7.1 Tratamientos trmicos moderados 1773.7.2 Pirlisis 1773.7.3 Racemizacin y formacin de aminocidos modificados 1783.7.4 Entrecruzamientos 1803.7.5 Reacciones de las protenas con agentes oxidantes 1823.7.6 Reacciones con nitritos 1843.7.7 Reacciones con sulfitos 1843.7.8 Reacciones carbonil amino 1843.7.9 Formacin de acrilamida en altas temperaturas 1853.7.10 Prdida de aminocidos por fraccionamiento (fraccionacin) 186

3.8 Propiedades funcionales de las protenas 1873.8.1 Propiedades de hidratacin 1903.8.2 Propiedades interfaciales de las protenas 1943.8.3 Unin de sabores 2013.8.4 Viscosidad 2023.8.5 Gelacin 203

3.9 Propiedades nutricionales 2053.9.1 Evaluacin de la calidad protenica 206

3.10 Protenas de algunos alimentos 2093.10.1 Protenas del huevo 2103.10.2 Protenas de la carne 2133.10.3 Gelatina 2173.10.4 Protenas de pescado: surimi, hidrolizados de pescado 2173.10.5 Protenas lcteas 2203.10.6 Protenas vegetales 2223.10.7 Protenas de cereales 2243.10.8 Protenas edulcorantes 2323.10.9 Pptidos de importancia en el campo de alimentos 2333.10.10 Protena microbiana 235

Referencias bibliogrficas 236

Captulo 4 Lpidos 245

4.1 Introduccin 2454.2 Clasificacin 246

4.2.1 cidos grasos 2484.2.2 Acilglicridos 2534.2.3 Fosfoglicridos 2584.2.4 Ceras 2604.2.5 Esteroles 260

4.3 Anlisis fsicos y qumicos 2624.3.1 ndices 2624.3.2 Otros anlisis 262

4.4 Manufactura de grasas y aceites 2654.4.1 Desgomado 2674.4.2 Neutralizacin 267

Contenido vii

4.4.3 Decoloracin 2684.4.4 Desodorizacin 2684.4.5 Hibernacin 269

4.5 Procesos de modificacin de grasas y aceites 2694.5.1 Hidrogenacin 2694.5.2 Interesterificacin 2744.5.3 Fraccionamiento 276

4.6 Sistemas grasos en alimentos 2774.6.1 Margarina 2774.6.2 Mantecas vegetales 2794.6.3 Mantequilla 2794.6.4 Grasas para alimentos infantiles 2794.6.5 Helados 2794.6.6 Mayonesa y aderezos 2804.6.7 Sustitutos de la manteca de cacao 2814.6.8 Fredo 281

4.7 Deterioro de los lpidos 2824.7.1 Liplisis 2834.7.2 Autoxidacin 2834.7.3 Reversin 2884.7.4 Radilisis 2894.7.5 Antioxidantes 289

4.8 Determinacin de la oxidacin 2934.8.1 Evaluacin sensorial 2934.8.2 ndice de perxido 2944.8.3 Mtodo del cido tiobarbitrico (TBA) 2944.8.4 Mtodo del oxgeno activo (AOM, Active Oxygen Method) 2944.8.5 Mtodo de la bomba de oxgeno 2954.8.6 Mtodo de incubacin en estufa 2954.8.7 Otros mtodos 295

4.9 Aspectos nutricionales 295Referencias bibliogrficas 297

Captulo 5 Enzimas 301

5.1 Introduccin 3015.2 Nomenclatura 3035.3 Las enzimas como catalizadores 3045.4 Especificidad 3065.5 Sitio activo 3085.6 Factores que afectan la velocidad de las reacciones enzimticas 310

5.6.1 Efecto del pH 3105.6.2 Efecto de la temperatura 3115.6.3 Efecto de la concentracin de sustrato 3145.6.4 Efecto de la actividad del agua 3155.6.5 Efecto de otros agentes en la actividad enzimtica 315

5.7 Cintica de las reacciones enzimticas 316

viii Contenido

5.8 Cuantificacin de actividad enzimtica 3195.9 Uso industrial de las enzimas 320

5.10 Revisin de enzimas de importancia en alimentos 3235.10.1 Carbohidrasas 3235.10.2 Proteasas 3355.10.3 Lipasas 3395.10.4 Oxidorreductasas 3415.10.5 Transferasas 3495.10.6 Isomerasas 351

5.11 Procesos de inters en alimentos con enzimas o clulas inmovilizadas 3535.12 Anlisis qumico con enzimas 3555.13 Las enzimas como indicadores de calidad de alimentos 3575.14 Tecnologa de ADN recombinante aplicada a la produccin y modificacin

de enzimas de inters en alimentos 357Referencias bibliogrficas 361

Captulo 6 Vitaminas y nutrimentos inorgnicos 3636.1 Introduccin 3636.2 Contenido de vitaminas en los alimentos 3666.3 Vitaminas liposolubles 368

6.3.1 Vitamina A 3706.3.2 Vitamina D 3726.3.3 Vitamina E 3736.3.4 Vitamina K 375

6.4 Vitaminas hidrosolubles 3766.4.1 Tiamina (B1) 3776.4.2 Riboflavina (B2) 3796.4.3 Vitamina B6 3816.4.4 Vitamina B12 3826.4.5 Biotina 3846.4.6 Folatos 3856.4.7 Niacina 3866.4.8 cido pantotnico 3876.4.9 Vitamina C 387

6.5 Resumen de la estabilidad de las vitaminas 3916.6 Nutrimentos inorgnicos 395

6.6.1 Calcio 3966.6.2 Fsforo 3976.6.3 Hierro 3976.6.4 Otros elementos 398

Referencias bibliogrficas 398

Captulo 7 Pigmentos 401

7.1 Introduccin 4017.2 Pigmentos sintticos y naturales 402

Contenido ix

7.3 Carotenoides 4067.3.1 Estructura y caractersticas qumicas 4077.3.2 Carotenoides en alimentos 4077.3.3 Obtencin 4107.3.4 Estabilidad 4117.3.5 Usos 4127.3.6 Carotenoides en la salud humana 412

7.4 Clorofilas 4137.4.1 Estructura 4147.4.2 Efecto del procesamiento 415

7.5 Pigmentos fenlicos 4177.5.1 Flavonoides 4177.5.2 Antocianinas 4207.5.3 Taninos 427

7.6 Betalainas 4297.6.1 Estructura 4307.6.2 Estabilidad 431

7.7 Hemopigmentos 4327.7.1 Estructura 4337.7.2 Color en carne fresca 4347.7.3 Color de carne curada 436

7.8 Otros pigmentos naturales 4367.8.1 Crcuma 4367.8.2 cido carmnico 4367.8.3 Quinonas 4367.8.4 Xantonas 4377.8.5 Color caramelo 4387.8.6 Gluconato ferroso 438

7.9 Anlisis de pigmentos y de color 438Referencias bibliogrficas 439

Captulo 8 Aroma y sabor 445

8.1 Introduccin 4458.2 Sabor 446

8.2.1 Sabor dulce 4488.2.2 Sabor amargo 4528.2.3 Sabor salado 4528.2.4 Sabor cido 4538.2.5 Umami 4538.2.6 Fenmenos de percepcin asociados con los sabores bsicos 453

8.3 Aromas 4548.4 Aspectos fisicoqumicos en la percepcin del sabor y del aroma 457

8.4.1 Proceso de masticacin 4578.4.2 Efecto de macromolculas en la percepcin del sabor 459

x Contenido

8.5 Mecanismos de la generacin de aromas y sabores 4618.5.1 Biosntesis 4638.5.2 Generacin de aromas por el efecto de tratamiento trmico 480

8.6 Precursores y desarrollo de aroma y sabor en alimentos 4938.6.1 Carne y productos crnicos 4938.6.2 Leche y productos lcteos 4948.6.3 Bebidas alcohlicas 495

8.7 Anlisis de compuestos de aroma y sabor 4968.7.1 Extraccin de compuestos del aroma y sabor 4988.7.2 Identificacin de compuestos del aroma y sabor 499

Referencias bibliogrficas 503

Captulo 9 Aditivos 5079.1 Introduccin 5079.2 Aspectos legales 5099.3 Conservadores 510

9.3.1 cido benzoico y benzoatos 5119.3.2 cido srbico y sorbatos 5129.3.3 cido actico y acetatos 5129.3.4 Parabenos 5129.3.5 cido propinico y propionatos 5139.3.6 Sulfitos y dixido de azufre 5139.3.7 Nitritos y nitratos 5149.3.8 Antibiticos 5159.3.9 Pirocarbonato de dietilo 5179.3.10 Epxidos 5179.3.11 Otros conservadores 518

9.4 Emulsionantes 5189.5 Polioles o polialcoholes 5219.6 Potenciadores del sabor 5229.7 Acidulantes, alcalinizantes y reguladores de pH 5249.8 Secuestradores o quelantes 5279.9 Edulcorantes 528

9.10 Gasificantes para panificacin 5329.11 Acondicionadores de panificacin 5339.12 Antiaglomerantes 5359.13 Antiespumantes 5359.14 Colorantes 5369.15 Clarificantes 5399.16 Sustancias para masticar 5409.17 Humectantes 5409.18 Sustitutos de grasas 5409.19 Nutrimentos 5419.20 Saborizantes, saboreadores o aromatizantes 5429.21 Otros aditivos 543

Referencias bibliogrficas 543

Contenido xi

Captulo 10 Estado de dispersin 547

10.1 Introduccin 54710.2 Clasificacin de los coloides 54910.3 Estabilidad de los coloides 55210.4 Soles 553

10.4.1 Propiedades reolgicas de los soles 55410.5 Geles 55610.6 Espumas 55810.7 Emulsiones 560

Referencias bibliogrficas 563

Captulo 11 Txicos presentes en los alimentos 565

11.1 Introduccin 56511.2 Leguminosas 566

11.2.1 Glucsidos cianognicos 56711.2.2 Promotores de flatulencia 56811.2.3 Inhibidores de proteasas como la tripsina 56811.2.4 Fitohemaglutininas 57011.2.5 Saponinas 57011.2.6 Favismo 570

11.3 Cereales 57111.3.1 Toxinas producidas por hongos (micotoxinas) 57111.3.2 cido ftico 577

11.4 Inhibidores de amilasas 57811.5 Bebidas estimulantes 57811.6 Pptidos, protenas y aminocidos txicos 579

11.6.1 Amatoxina y falotoxina 57911.6.2 Islanditoxina 58011.6.3 Toxina botulnica 58111.6.4 Toxinas de Staphilococcus sp. 58111.6.5 Selenoaminocidos 58111.6.6 Canavanina 58211.6.7 Mimosina 582

11.7 Gosipol 58311.8 Capsaicina 58311.9 Solanina y chaconina 583

11.10 Sustancias promotoras de bocio 58411.11 Toxinas en mariscos y peces 586

11.11.1 Saxitoxina 58611.11.2 Tetradoxina 586

11.12 Antivitaminas 58711.13 Txicos presentes en la miel de abeja 58811.14 Compuestos txicos generados por proceso 590

11.14.1 Compuestos producidos por altas temperaturas 591

xii Contenido

11.15 Racemizacin de aminocidos y formacin de isopptidos 59611.16 Formacin de aminas bigenas 59711.17 Fumigantes y disolventes 59711.18 Comentarios 598Referencias bibliogrficas 598

Captulo 12 Leche 60312.1 Introduccin 60312.2 Composicin de la leche 604

12.2.1 Lpidos 60512.2.2 Lactosa 60812.2.3 Protenas 60912.2.4 Enzimas 61512.2.5 Vitaminas 61612.2.6 Sales y nutrimentos inorgnicos 617

12.3 Propiedades fsicas de la leche 61712.4 Estado de dispersin de la leche 618

12.4.1 Fase miscelar 61912.4.2 Fase lipdica 620

12.5 Productos lcteos 62112.5.1 Leche pasteurizada, ultrapasteurizada y esterilizada 62112.5.2 Quesos 62612.5.3 Yogurt 62812.5.4 Otros productos lcteos 628

Referencias bibliogrficas 629

Captulo 13 Soya 63313.1 Introduccin 63313.2 Protenas de la soya 63513.3 Formas comerciales de la soya 637

13.3.1 Harinas 63813.3.2 Concentrados 64013.3.3 Aislados 642

13.4 Propiedades funcionales 64413.4.1 Modificaciones de las protenas 646

13.5 Factores antifisiolgicos 64613.6 Soya y nutricin 64713.7 Mejora gentica de la soya 648

Referencias bibliogrficas 649

Captulo 14 Alimentos transgnicos 651

14.1 Ingeniera gentica y alimentos 65114.2 Principales mtodos para la transferencia de genes 657

Contenido xiii

14.3 Modificaciones genticas ms utilizadas para la produccin de alimentos 65914.3.1 Caracteres de inters ms utilizados 659

14.4 FlavrSavr el primer alimento GM 66214.5 Los OGMs comerciales para alimentacin 663

14.5.1 Granos a granel 66314.5.2 Variedades comerciales de menor volumen y movimiento 665

14.6 Microorganismos GM para la produccin de enzimas auxiliares de proceso 66614.7 OGMs de segunda generacin 668

14.7.1 Plantas que producen aceites modificados 67114.7.2 Papas GM 676

14.8 OGMs de tercera generacin 67914.9 Animales domsticos GM 682

14.9.1 Peces 68214.9.2 Ganado y aves de corral 683

14.10 Modificaciones de inters para productores y para el consumidor 68314.11 Posibles impactos en la salud humana y anlisis de riesgo 684Referencias bibliogrficas 688

Anexo I 693

ndice 703

xiv Contenido

Desde sus inicios, la humanidad ha sustentado una lucha continua contra el hambre, que es y seguirsiendo uno de sus principales enemigos. Sin embargo, la importancia de la tecnologa de los alimen-tos fue reconocida muy recientemente, y apenas hace unos 20 aos se manifiesta en todo el mundouna verdadera preocupacin por la implantacin de nuevas metodologas para la produccin, el pro-cesamiento y la conservacin de productos alimenticios. La ciencia y la tecnologa de los alimentossurgen como una necesidad imperiosa de formar individuos calificados, capaces de entender y resolverlos diferentes problemas que se presentan en esta rea tan prioritaria de desarrollo; una caractersti-ca comn a todos ellos es su conocimiento de la qumica de los alimentos, que est de alguna manerarelacionada 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 losdescubrimientos cientficos y tecnolgicos que se efectuaron en otras reas.

Muchas de las tcnicas de obtencin y procesamiento de alimentos que actualmente se empleanprovienen 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 estospueblos para la preparacin y la conservacin de sus alimentos, y su uso fue transmitido de generacinen generacin hasta llegar a nuestros das. Aunque es probable que muchos de esos procesos hayan si-do descubiertos por casualidad, o bien a travs de continuas pruebas de ensayo y error, el hecho es quecada 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 im-portantes: la qumica se consolid como ciencia y se hicieron distinciones entre los materiales inor-gnicos y los orgnicos. La biologa dio un paso decisivo al establecer los principios celulares queayudaran a entender mejor los mecanismos de sobreviviencia de las clulas. En las ltimas dcadashan 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, hahecho que con base en la bioqumica hayan nacido otras ciencias, como la enzimologa, que tiene unagran 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 tanslo 20 o 30 aos. Cada uno de los diferentes componentes de los alimentos ha creado toda una reaespecializada de estudios; as por ejemplo existe personal altamente calificado que trabaja sobre cier-tos aspectos de las protenas, de los hidratos de carbono, de los lpidos, o de los sabores de los ali-mentos. Cada vez la especializacin es ms necesaria, ya que el cmulo de conocimientos aumentadiariamente.

La qumica de los alimentos est directamente relacionada con todas las transformaciones quesufren stos a lo largo de las manipulaciones a las que estn sujetos. Es una ciencia que cada da vaadquiriendo mayor importancia puesto que representa la estructura bsica del conocimiento en el quese apoyan todas las tecnologas relacionadas con los alimentos.

Introduccin

xv

Desde 1993, ao de la edicin anterior del presente libro, han tenido lugar numerosos avances, tantotcnicos 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 enriquecieronmuchos 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; algunosestudios 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 pro-ducir y modificar la composicin qumica de diversos cultivos; la soya pas de ser una semilla parala elaboracin de piensos a un producto recomendado por la Food and Drug Administration, de losEstados Unidos, para la prevencin de algunos problemas de salud; se generaliz la produccin yaplicacin de un mayor nmero de enzimas comerciales; se establecieron nuevas recomendacionespara una dieta ms saludable; amn de muchos otros cambios debido a distintas necesidades y for-mas de preparar y consumir los alimentos, aunado a un mayor entendimiento y exigencia del consu-midor sobre los productos que ingiere. Esto tambin se ha reflejado en la modificacin y adecuacinde 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 te-ma 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 estetexto.

Los diversos mtodos de anlisis instrumental cualitativo y cuantitativo se han perfeccionado yahora se cuenta con una mayor sensibilidad y certeza en los resultados; esto ha provocado que variospostulados de hace algunos aos hayan sido modificados al encontrarse nueva evidencia soportadapor estudios ms confiables; por lo que en ciertos casos, lo que ayer era aceptado por la comunidadcientfica, ahora solamente forma parte del pasado.

Todos estos motivos, obligaron a actualizar la presente obra, aun cuando se mantiene su estruc-tura 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 responsablesdel 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 lasoya, como ejemplos de aplicacin de los conceptos explicados en otros captulos.

Como una aportacin muy valiosa, y complementaria, se incluye un captulo dedicado al temade la toxicologa de los compuestos inherentes a los alimentos, y los que se generan durante su pro-cesamiento; as como otro relacionado con los alimentos transgnicos y la ingeniera gentica apli-cada a la modificacin de diversos productos alimenticios. Este segundo tema es de gran relevanciapuesto 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

En la actualizacin de esta nueva edicin participan prestigiosos investigadores-profesores de re-conocidas instituciones de educacin de nuestro pas, sin cuyo esfuerzo no hubiera sido posible la in-tegracin de este nuevo texto.

Se han conservado varios cuadros y figuras, pero otros ms novedosos se han incluido con el finde facilitar la lectura y la comprensin del texto. En lo que se refiere a la bibliografa, se mantieneaquella que es vlida hasta el da de hoy, pero tambin se incluye toda la que se emple para actua-lizar esta obra.

Consideramos que el presente libro, diseado para emplearse en las distintas licenciaturas rela-cionadas con la tecnologa de los alimentos, contribuir al mejor entendimiento de los aspectos queintegran la qumica de los alimentos.

Salvador Badui Dergal

xviii Prlogo

INTRODUCCIN

En muchas ocasiones, al agua no se le considera un nutrimento porqueno sufre cambios qumicos durante su aprovechamiento biolgico; peroes un hecho que sin ella no pueden llevarse a cabo las innumerablestransformaciones bioqumicas propias de todas las clulas activas: des-de una sencilla bacteria hasta el complejo sistema del organismo delhombre. Esto es tan cierto que existen teoras que consideran que la vi-da en nuestro planeta se origin gracias a la presencia de este compues-to que permanece lquido en un intervalo de temperatura relativamenteamplio.

Tiene un gran nmero de funciones biolgicas basadas en su capa-cidad fsica para transportar sustancias, disolver otras y mantenerlastanto en solucin como en suspensin coloidal y tambin en su reacti-vidad qumica, al intervenir en la fotosntesis y en muchas reacciones

1

Captulo

Agua1

1.1 Introduccin1.2 Fuentes de agua

para el serhumano

1.3 Propiedades delagua

1.4 Estados fsicos delagua

1.5 Efecto de lossolutos en el agua

1.6 Distribucin delagua en losalimentos

1.7 Actividad del agua1.8 Determinacin de

las curvas deadsorcin y de desorcin

1.9 Actividad del aguay estabilidad delos alimentos

1.10 Alimentos dehumedadintermedia

1.11 Congelamiento delos alimentos

1.12 El agua en laindustriaalimentariaReferenciasbibliogrficas

1.1

Salvador Badui Dergal

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 comple-jos (polisacridos, protenas, grasas, etctera) a formas ms sencillas y asimilables para las plantasy 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, et-ctera, 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 enun medio en el que el contenido de agua es fundamental.

Es, por mucho, el principal constituyente de todos los tejidos vivos, ya que representa general-mente al menos el 60% de su composicin. En los alimentos se encuentra hasta en un 96-97%, comoes el caso de algunas frutas en las que es un factor fundamental de la frescura; incluso, muchos des-hidratados que en apariencia son totalmente secos, contienen un 10-12% de ella y slo en la sal co-mn y en el azcar de mesa no existe. El agua influye en las propiedades de los alimentos y, a suvez, los componentes de los alimentos influyen en las propiedades del agua que ms adelante semencionan.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 (calorde vaporizacin, calor especfico, etctera) influyen en el diseo de los procesos para manejar ytransformar 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 suforma lquida como en el hielo, para evitar posibles daos. Para conservar los alimentos es necesariodeterminar su influencia en el crecimiento microbiano y en las distintas reacciones fsicas, qumicasy enzimticas negativas que se estudian en otros captulos de este texto; por mucho, el enemigo avencer son los diversos microorganismos, hongos, levaduras y bacterias, los cuales son controladossi se les restringe el agua disponible (actividad del agua) para evitar su crecimiento, con procesos co-mo concentracin, deshidratacin, congelamiento, liofilizacin, salado y azucarado (estos dos ltimospor aumento de la presin osmtica).

FUENTES DE AGUA PARAEL 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 sirvede 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 de2,500 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 muestraun 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 ali-mentos, como los vegetales abundantes en agua, la leche, que tiene un 87%, de los huevos con un74% y del pan, que con aproximadamente 40% es uno de los alimentos ms comunes y con menorcantidad de ella (cuadro 1.2).

1.2

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 Orina1,300 Bebidas 400 Pulmones

350 Oxidacin de 500 Pielnutrimentos

200 Heces2,500 2,500

CUADRO 1.2 Contenido aproximado de agua de algunos alimentos (%)

Lechuga, esprrago, coliflor 95Brcoli, zanahoria 90Manzana, durazno, naranja 88Leche 87Papa, pera 80Huevo, pollo 74Carne de res 70Carne de cerdo, helado 60Pan 40Queso 45Mantequilla 16Galletas 5Chocolate 2

Otra fuente, de menor importancia, se origina en el propio cuerpo debido a reacciones metabli-cas: la oxidacin de una molcula de glucosa genera seis de H2O, que equivalen a 0.6 g por gramo demonosacrido: C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O. Adems de los hidratos de carbono, tambin se ob-tienen 1.1 g y 0.4 g de agua por gramo de lpido y de protena, respectivamente; una dieta cuya oxida-cin 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 ox-geno, es altamente polar, no es lineal y crea estructuras tridimensionales debido a la hibridacin delas rbitas moleculares s y p del oxgeno; las 1s del hidrgeno comparten dos electrones con las h-

1.3

bridas sp3 del oxgeno. A su vez, este elemento tiene un par de electrones libres considerados comodos fuerzas separadas, que junto con los dos enlaces covalentes, establece una molcula con una for-ma imaginaria de tetraedro (figura 1.1).

4 Agua

(+)

(+) (+)(+)

(+)

(+)

2()

()()

()()

(a) (b)

(c)

0.14 nm

0.12 nm0.33 nmH

0.096 nm

O104.5

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 lasrbitas sp3 del oxgeno, y (c) dimensiones de la molcula de agua.11

Mediante diversos estudios de espectroscopia, rayos X, resonancia magntica nuclear, difrac-cin, infrarrojo, radiactividad, etctera, se han determinado las dimensiones, as como algunas ca-ractersticas de la molcula del agua. Por ejemplo, en la figura 1.1 se observa que los radios de Vander Waals del hidrgeno y del oxgeno son de 0.12 nm (1.2 ) y 0.14 nm, respectivamente; que lalongitud 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 oxge-no tiene un gran poder de atraccin por los electrones de los dos hidrgenos, lo que ocasiona que stosdesarrollen una carga parcial positiva d() temporal, y que el tomo de oxgeno desarrolle una cargaparcial doble negativa 2 d() temporal; esto hace que se produzca un momento dipolar muy fuerte, cu-ya direccin se observa en la figura 1.1. Es decir, esta molcula no tiene una carga determinada, peros un dipolo elctrico potente que le permite crear puentes de hidrgeno estables con otras molculasiguales o diferentes, pero de naturaleza polar. El momento dipolar que se establece, se observa comouna orientacin de la molcula en un campo elctrico con la parte negativa hacia el nodo y la positi-va hacia el ctodo.

El puente de hidrgeno no es un enlace qumico propiamente, sino una atraccin electrostticaque se produce cuando dos tomos negativos de compuestos polares se unen mediante uno de hidr-geno, 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 deter-minado momento, en conjunto representan una gran fuerza. Tanto el nmero de estas uniones comola longitud del puente de hidrgeno entre molculas vecinas (p. ej. 0.276 nm o 2.76 , en la figura1.2a) se ve afectado por la temperatura; esto se refleja, por ejemplo, en la densidad del agua que seincrementa a medida que interaccionan ms molculas a una menor distancia, y alcanza un mximoa 3.98C.

1.3 Propiedades del agua 5

O

O

O

O O

O

H H

HH

O

H

H

H

H

H

HH

H

H

H(4)

(1)

(2)

(3)

(a) (b)

0.27

6 nm

0.177nm

(c)

Puentes dehidrgeno

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 dehidrgeno, y (c) los puentes de hidrgeno entre molculas de agua producen una estructura imaginaria tetradrica con eloxgeno al centro.

Debido a sus cargas parciales, la molcula de agua tiene dos sitios receptores y dos donadoresde electrones, por lo que su interaccin mediante puentes de hidrgeno crea grandes estructuras tri-dimensionales estables en el hielo y en el agua lquida, responsables de sus propiedades fsicas tanpeculiares que ms adelante se mencionan. Las molculas como NH3, que no tienen igual nmero dereceptores y de donadores (1 y 3, respectivamente), slo forman estructuras bidimensionales y no tri-dimensionales.

Cabe sealar que los puentes de hidrgeno no slo se inducen en el agua, sino en cualquier sus-tancia que tenga caractersticas polares, como son las protenas y los hidratos de carbono, gracias asus diversos grupos hidrfilos (figura 1.3). Mediante este mecanismo, los polmeros y algunos com-puestos de bajo peso molecular retienen agua y le confieren a los alimentos propiedades reolgicasmuy particulares. Las temperaturas bajas favorecen la formacin de puentes de hidrgeno, mientras quelas altas los destruyen; se considera que en el hielo, el 100% de las molculas establecen puentes dehidrgeno, y que en el vapor este porcentaje es cero. La funcin biolgica del hombre se efecta al-rededor de los 37C, temperatura en la que se produce un 35-45% de los puentes de hidrgeno; porlo tanto, debe existir alguna relacin entre la estructura del agua en estas condiciones y la facilidadpara 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 protenasy de los cidos grasos.

1.3.1 Propiedades fisicoqumicas

Debido a la formacin de estructuras tridimensionales mediante puentes de hidrgeno, el agua mues-tra propiedades muy particulares que resaltan an ms al compararlas con hidruros del mismo gru-po de la tabla peridica a la que pertenece el oxgeno. Por ejemplo, H2O, H2S, H2Se y H2Te, tienenpuntos de ebullicin de 100, 61, 42 y 2 (C), respectivamente; el agua, con el menor peso mo-lecular, presenta valores de puntos de fusin y de ebullicin que no corresponden a la serie, y queson muy superiores a los del resto del grupo. Si se siguiera una relacin matemtica de acuerdo conlos pesos moleculares, el agua tendra que fundir a 150C y hervir a 80C, por lo que en las con-diciones ambientales normales sera un gas. No lo es, precisamente por una fuerte cohesin internadebida a los puentes de hidrgeno; de los cuatro hidruros, el del oxgeno es el nico que se encuen-tra en estado lquido a la temperatura en que se desarrolla la vida (10-50C, aproximadamente) ennuestro planeta.

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 laenerga necesaria para transformar un kilogramo de agua lquida en vapor a 100C, y la que se re-quiere para romper las fuerzas atractivas, de tal manera que las molculas individualmente puedanescapar y pasar a la fase gaseosa. A manera de comparacin y para entender mejor este valor, cabesealar 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 va-lor indica que se necesita mucha energa para vaporizar un poco de agua (como en la deshidratacinde alimentos), o que la vaporizacin de pequeas cantidades de ella es suficiente para sustraer mu-cho calor; esto explica por qu la vaporizacin del sudor es responsable de la mayor parte del calorperdido por un organismo.

El proceso inverso al de la vaporacin, la condensacin, es exotrmico y libera una cantidad se-mejante de calor, caracterstica que se aprovecha para calentar los alimentos en los procesos de es-terilizacin 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 conhielo, 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 tem-peratura; una aplicacin de este principio es con el enlatado de los alimentos no cidos, cuyo calen-tamiento externo causa que la presin interna se incremente y, en consecuencia, su temperaturaalcance 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 apli-car 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 acalentarla. Cuando se suministra energa trmica a los lquidos en los que no existen puentes de hi-drgeno, 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 supe-riores a los 100C (necesarias para el fredo), que es la mxima que se alcanza con el agua lquida apresin atmosfrica. Otra implicacin del alto valor de este parmetro se da en la regulacin de latemperatura del cuerpo humano, ya que provoca que el agua absorba el calor cuando hay cambiosbruscos externos, sin afectar la temperatura interna; en forma semejante, tambin hace que los ma-res 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 dela temperatura.

La ionizacin del agua pura es mnima, pero influye en la formacin del H3O+ causada por laadicin 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 disolucio-nes, como ocanos, mares, lagos, ros, etctera), al igual que en los alimentos, en el plasma sanguneoy en la orina, que desempean un papel vital para el cuerpo humano. Muchas sales y compuestos

1.3 Propiedades del agua 7

inicos y no inicos, slo se solubilizan en agua y nunca en disolventes apolares (cloroformo, ben-ceno, 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. Elagua es capaz de disolver los cristales debido a la intensa fuerza que se crea entre su dipolo y los io-nes 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 hidratacindepende de la densidad de carga, que es igual a la carga total dividida entre el radio inico; para unamisma carga, la retencin de agua es mayor en los iones pequeos que en los grandes; la hidratacindel K es menor que la del Na, ya que el radio del primero es mayor y, en consecuencia, su densi-dad de carga es menor.

El agua es un buen disolvente debido a su alta constante dielctrica, D, que por definicin esuna medida de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas electrostticas de atraccin Fentre 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 a20C), comparado con el de otros disolventes: metanol, 33; etanol, 24; acetona, 21; benceno, 2; e in-dica que la fuerza de atraccin entre Na y Cl es solamente de 1/40 de la que existe con el bence-no; por lo tanto, el agua favorece la disolucin de la sal, pues evita que sus componentes se unan nue-vamente, 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 elmismo que opera cuando se establecen dispersiones acuosas de polisacridos, protenas y otros po-lmeros, los cuales no producen soluciones verdaderas, sino suspensiones coloidales estabilizadas enel agua con dichas uniones (figura 1.3).

Cabe indicar que la disolucin se efecta cuando la concentracin del agua es muy superior a ladel soluto; sin embargo, cuando sta es baja, las sustancias no se disuelven, solamente se hidratan, yforman fluidos muy viscosos o incluso geles, en los que el agua queda retenida tambin por puentesde hidrgeno en una red tridimensional.

Las molculas de agua que estn en contacto con el aire se comportan de una manera muy dis-tinta de las que no lo estn, ya que actan como una pelcula elstica, dando origen a los fenme-nos 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 haciael interior (el agua), y no haca el exterior (el aire). Este comportamiento dificulta la humectacinde 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 lahidratacin, se recurre a los agentes tensoactivos, como en el caso de los aderezos y de otras emul-siones, o al suministro de energa mecnica (agitacin, homogeneizacin), para formar dispersio-nes coloidales estables. La adicin de sales y de compuestos polihidroxilados (sacarosa), incre-

F e1 e2

Dr2

8 Agua

menta la tensin superficial del agua, pero sta se reduce al aumentar la temperatura, ya que lasfuerzas atractivas interiores se inhiben.

ESTADOS FSICOS DEL AGUA

De acuerdo con la cantidad e intensidad de puentes de hidrgeno que contenga, el agua existir enuno de los tres estados fsicos conocidos: gas, lquido y slido, propiedad que es exclusiva de estasustancia en nuestro planeta. A una atmsfera de presin, estos estados dependen exclusivamente dela 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 quelos 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, enestos sistemas se requiere mucha energa, y esto puede ocasionar que los grupos hidrfilos hidrata-dos de las protenas y de los hidratos de carbono se deterioren trmicamente y pierdan su capacidadposterior 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 porlquido), y no por evaporacin, como en el caso anterior, y se representa en la figura 1.5 con la rutaa-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

hielo amorfo, sin redes estructuradas tpicas de los cristales (a); le sigue una fuerte reduccin de lapresin 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 subli-macin y no para la fusin del hielo (c). Ya que en la sublimacin se emplean temperaturas bajas, elalimento no sufre daos trmicos, y los grupos hidrfilos que retienen agua no se ven afectados; larehidratacin de los liofilizados es muy sencilla, y con ella se obtienen alimentos con propiedadessensoriales (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 seemplea en te, caf, algunos vegetales, carnes y otros, pero en la industria farmacutica es el mtodode secado por excelencia.

En estado lquido, el agua establece puentes de hidrgeno y crea una estructura tridimensionalque se ha explicado con varios modelos tericos; en general, se considera que estas uniones estn uni-formemente distribuidas en todas las molculas de agua, formando una red uniforme. Otros modelossuponen que hay agua agregada, de muy corta vida y en permanente formacin, dispersa en un sis-tema de agua monomrica cuyas molculas no estn unidas; los agregados se forman y se disocianconstantemente, 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 unidasntegramente por medio de puentes de hidrgeno, que trae consigo una reduccin de la entropa delsistema lquido; cada molcula de agua interacciona con otras cuatro y establece enlaces de una dis-tancia oxgeno-oxgeno de 2.76 y un ngulo de unin de 109, muy cercano al del ngulo del te-

10 Agua

slido lquidopresin

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. Laruta a-b-c muestra el proceso de liofilizacin.

traedro perfecto de 10920, lo que evita tensiones en la estructura. Los oxgenos interaccionan detal manera que generan planos paralelos de agua, segn la figura 1.6, y hacen que el hielo adquieraun arreglo hexagonal simtrico en donde cada vrtice est representado por un tomo de oxgeno. Enel descongelamiento, la estructura cristalina desaparece y, a medida que el hielo se funde, una mo-lcula de agua puede ligar ms de cuatro de las mismas al reducirse la distancia entre ellas, lo quetrae consigo una mayor fuerza de unin y un aumento de densidad mximo a 3.98C; si el calenta-miento sobrepasa esta temperatura, la distancia entre molculas se incrementa y la densidad se redu-ce. Se estima que cuando el hielo se derrite y produce agua lquida a 0C, slo se rompe el 10% delos puentes de hidrgeno. El aumento del volumen por la reduccin de la densidad cuando se enfray congela es la razn por la que el hielo flota en el agua; la densidad del hielo a 0C es de 0.9168g/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, co-mo la conductividad trmica; el hielo es ms conductor con un valor de 2,240 J/m seg K (5.3 cal/cmseg 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 estruc-tura del agua que se reflejan en sus propiedades coligativas, que incluye la depresin de la tempera-tura de congelamiento, el aumento de la de ebullicin, la reduccin de la presin de vapor, y el in-cremento de la presin osmtica.

La temperatura tiene una influencia muy distinta en la solubilidad de los distintos solutos. Lasacarosa absorbe calor al disolverse en agua (valor negativo de disolucin), en consecuencia, su so-lubilidad 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 dehidrgeno

puentes dehidrgeno, 2.76

Figura 1.6 (a) Estructura hexagonal de los cristales de hielo formados mediante puentes de hidrgeno entre molculas deagua, y (b) planos paralelos de las molculas de hielo.

1.5

en la industria de la confitera; en este proceso, entre cuatro y seis molculas de agua interaccionane 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 tem-peratura.

El estudio de las disoluciones acuosas parte de los modelos termodinmicos para sistemas idea-les representados en la Ley de Raoult, que no pueden extrapolarse a los sistemas reales, excepto enconcentraciones 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 tie-nen interacciones y forman complejos con ellos mismos o con otros polmeros, haciendo que no to-do est en solucin verdadera, adems de que tambin influye el estado de dispersin, la estructurade 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 molecu-lar. Por ejemplo, el pm efectivo de los compuestos responsables de este abatimiento en la leche des-cremada es de 342, que corresponde a la lactosa, mientras que en los jugos de uva y de jitomate esde 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 noinicos tienen un menor efecto que los inicos, tanto en la reduccin de la temperatura de congela-cin como en el aumento de la de ebullicin: un mol de sacarosa (no inico) disuelto en 1,000 g deagua reduce 1.86C el congelamiento e incrementa 0.52C la ebullicin; para el NaCl (inico), estascifras 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 ebullicinpor la menor presin atmosfrica. La solubilidad del NaCl se limita con el fro, por lo que la tempe-ratura ms baja que se alcanza con soluciones de sal es de 21C, las cuales se emplean en el con-gelamiento industrial de helados y postres con alto contenido de sacarosa.

El aumento de la temperatura a la que normalmente hierve un lquido es directamente propor-cional 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 calidadpara la leche, ya que las sustancias de bajo peso molecular, como lactosa y algunas sales en una con-centracin constante, hacen que congele en un intervalo cerrado de alrededor de 0.54C; la deter-minacin 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 pre-sin de vapor y por lo tanto en la actividad del agua; este hecho se ha aprovechado para relacionarambos parmetros en soluciones acuosas binarias muy simples, de tal forma que con dicho punto decongelamiento se deduce el valor de la actividad del agua.4, 28

t K np

12 Agua

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 laspropias 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, lossolutos no polares, como hidrocarburos, cidos grasos, algunos aminocidos, etctera, al no disol-verse, favorecen las formas estables de agregados o clatratos en los que los solutos se localizan enlos 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 equi-librio de concentraciones se alcance en los dos sistemas. A la presin requerida para que esto sucedase le llama presin osmtica y aumenta con la concentracin de los solutos disueltos. Gracias a estolas 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 ha-cia el interior y aumenta la turgencia del tejido. Este efecto tambin se observa en los microorganis-mos, que se destruyen cuando se someten a una alta presin osmtica por algn tiempo, principioque 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 muchasrazones, por ejemplo, debido a los complejos hidratados que se producen con protenas, a los hidra-tos de carbono y otros, a las diversas estructuras internas propias de cada tejido, a los microcapila-res que se forman, a su incompatibilidad con los lpidos que no permiten su presencia, etctera; elcitoplasma de las clulas presenta un alto porcentaje de polipptidos capaces de retener ms aguaque 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 suscomponentes se encuentran en distintas formas de dispersin.

Por estas razones, en los alimentos existen diferentes estados energticos en los que se encuen-tra el agua; es decir, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades fisicoqumicas, yesto 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 delagua 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 un9.3% 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 au-menta 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 li-bre, 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 conside-ra que el agua ligada es aquella porcin que no congela a 20C, por lo que tambin se le llama aguano congelable; su determinacin se puede efectuar mediante el anlisis trmico-diferencial, por re-sonancia magntica nuclear, etctera. Por otra parte, el agua libre, tambin llamada agua congelable

1.6 Distribucin del agua en los alimentos 13

1.6

14 Agua

y agua capilar, es la que se volatiliza fcilmente, se pierde en el calentamiento, se congela prime-ro 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 queel 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 ali-mento por medio de puentes de hidrgeno, pero otros establecen que dicha agua slo est fsicamenteatrapada en una matriz muy viscosa que no permite su movilidad y difusin y, por lo tanto, no estdisponible.

CUADRO 1.3 Agua no congelable y su contenido de slidos

Leche descremada Leche descremada concentradaTemperatura (9.3% slidos) (26% slidos)

Agua Slidos en Agua Slidos enno congelable solucin no congelable solucin

(C) (%) (%) (%) (%)24 4.0 72.0 12.0 74.520 4.5 69.5 14.0 71.516 5.0 67.1 15.5 69.412 5.5 65.2 19.0 64.88 7.5 57.8 26.0 57.54 12.5 45.1 47.0 42.82 25.0 29.0 80.0 30.5

Para entender mejor estos conceptos, considrese una molcula de almidn completamente secacon un gran nmero de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de hidrge-no; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitara 0.11 g de H2O por gramo de sli-do, 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 laleche en polvo presentan valores de 0.11, 0.06 y 0.03 g/g de slido, respectivamente. Esta agua estfuertemente unida a la superficie seca, su fugacidad es baja y en consecuencia, su presin de vapores reducida. Si se contina aadiendo lquido, se construirn capas superiores sobre la monomolecu-lar. En este esquema tan sencillo y expuesto slo con fines didcticos, el agua de las capas ms inter-nas se considerara como ligada (que corresponde hasta aproximadamente 0.5 g/g de slido), mien-tras que la de las ms externas, como libre.

Realmente no existe ninguno de estos tipos de agua, ya que aun la ms fuertemente ligada, queincluye a la capa BET, tiene cierta movilidad, ya que ejerce una presin de vapor mensurable. Deigual forma, no hay agua completamente libre debido a que tambin est unida a otras molculas de sumisma especie o con otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el alimento; no es librepuesto 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 po-lisacridos, que en forma natural integran tejidos y que por su hidratacin le proporcionan frescura alos alimentos; adems, por esta misma razn, dichos polmeros se emplean como aditivos en la in-

dustria alimentaria. La capacidad de retencin de agua es una medida de la cantidad del lquido quepuede 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 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 ms abundante, fcil decongelar 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; esms difcil de quitar que la anterior, pero al lograrlo se obtienen valores de la actividad del agua deaproximadamente 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 des-hidratacin, pero esto no es recomendable, ya que, adems de que se requiere mucha energa y sedaa el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, sobre todo contra las reacciones de oxida-cin de lpidos, porque acta como barrera del oxgeno.

1.7 Actividad del agua 15

Actividad del agua

velo

cida

d re

lativ

a de

reac

cin

zona I zona II zona IIIa

bc

d

e f

g

h

conte

nido

de

hum

edad

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

agualibremonocapa

Figura 1.7 Cambios que ocurren en los alimentos en funcin de la actividad del agua. a) Oxidacin de lpidos; b) reaccio-nes hidrolticas; c) oscurecimiento no enzimtico; d) isoterma de adsorcin; e) actividad enzimtica; f) crecimiento de hon-gos; 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 deagua, aun cuando ste tambin influye definitivamente en las reacciones fsicas, qumicas, enzim-ticas y microbiolgicas que se describen en otros captulos de este texto. Como ya se indic, y slopara efectos de simplificacin, el agua se dividi en libre y en ligada; la primera sera la nica

1.7

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 baseen este valor emprico que se puede predecir la estabilidad y la vida til de un producto, y no con sucontenido de agua; refleja el grado de interaccin con los dems constituyentes, adems de que serelaciona 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 enmuy reducida concentracin, este trmino puede expresarse de la siguiente manera:

(Ec. 1)

donde: fugacidad del disolvente de la solucin

fugacidad del disolvente puroHR humedad relativa

P presin de vapor del agua del alimentoPo 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 deuna solucin; en virtud de que el vapor de agua se comporta aproximadamente como un gas ideal, sepuede emplear la presin de vapor en lugar de la fugacidad. Es decir, en forma ideal, la aa es direc-tamente 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 desvande estas consideraciones, de tal forma que la aa es aproximadamente proporcional a la presin de va-por 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 beneficiosprcticos, por la facilidad de su medicin y por el bajo costo de los equipos requeridos. Por tal mo-tivo, 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 deRiesgos y Control de Puntos Crticos (HACCP, de las siglas en ingls Hazard Analysis and CriticalControl 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 lasmolculas de agua en el espacio de cabeza en un recipiente cerrado, comparada con la presin de va-por del agua pura a la misma temperatura, despus de alcanzar el equilibrio. Sus valores varan 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 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

HR100

Ma

Ma Ms

16 Agua

prcticos, de difraccin y de resonancia magntica nuclear. La movilidad molecular se basa en la ca-pacidad de difusin de los solutos, as 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.7, 35 Estas formas de medicin de dicha disponibilidad y su influencia en laestabilidad de los alimentos resultan muy complicadas, por lo que, por el momento, se seguir em-pleando 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 con-tenido de humedad mediante las curvas o isotermas de adsorcin y desorcin (figura 1.8). Para en-tender esto, considrese un alimento con agua, almacenado a una temperatura determinada en unacmara hermticamente cerrada; al cabo de algn tiempo, su presin de vapor provocar la transfe-rencia de molculas de agua y la cmara adquirir una humedad relativa constante que estar en equi-librio (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 facilidadde sta para escapar del alimento. Tanto los higrmetros como los manmetros miden la humedad yla 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 unatemperatura determinada; si esto se repite con diferentes porcentajes de agua, y los resultados se gra-fican, 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 re-lativa 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 algraficarse crean la isoterma de adsorcin (hidratacin del slido).

La figura 1.8 muestra las dos isotermas antes descritas, llamadas de sorcin; se aprecia que pa-ra un contenido de humedad constante la actividad del agua es menor durante la desorcin que en laadsorcin, 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, fenme-no que recibe el nombre genrico de histresis.

1.7 Actividad del agua 17

desorcin

adsorcin

Actividad del agua

conte

nido

de

hum

edad

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.

18 Agua

CUADRO 1.4 Porcentaje de humedad de equilibrio a varias humedades relativasHumedad relativa (%)

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 19.1Almidn 2.2 5.2 7.4 9.2 12.7Gelatina 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 dehumedad 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, adsor-be humedad y llega al equilibrio con tan slo 7% de agua.

Existen muchos modelos que describen termodinmicamente el fenmeno de la adsorcin-de-sorcin que se basan en los cambios de entalpa y entropa, que a su vez se relacionan con la humedadde 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 medi-da 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 lohace 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 gde slido seco, T la temperatura y a y b son constantes.19, 20 Para ilustrar el efecto de la temperatura enla 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, comomuestra 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 enla que ahora pueden crecer hongos y levaduras, adems de propiciarse algunas reacciones de deterioroen 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 laleche, cuya concentracin C (gramos de slido por 100 g de agua) es proporcional a la actividad delagua, mediante la ecuacin aa 0.999 0.000558 C. Para este producto en particular, la lactosa ylas 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 reduc-cin de la presin de vapor y, en consecuencia, en la actividad del agua, de acuerdo con la siguienteexpresin:

aa

1

1 0.0097t

esta ecuacin se puede aplicar en alimentos congelados en un intervalo de temperatura de 0 a40C.6 De hecho, en soluciones acuosas binarias sencillas como leche descremada, bebidas y ju-gos, 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 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, etctera.40

En general, existe mucha informacin sobre los valores de la actividad del agua de un gran nmerode 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, mientrasque 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 hidra-ta, y es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidratados almacenados enatmsferas hmedas (higroscopicidad). De manera semejante, la de desorcin equivale al proceso dedeshidratacin y refleja la forma como pierde agua.24 Con base en ambas curvas se disean los sis-temas de almacenamiento, de secado, de rehidratacin, etctera, adems de que ayudan a predecir laestabilidad de los alimentos almacenados en distintas condiciones.

1.8 Determinacin de las curvas de adsorcin y desorcin 19

actividad del agua

conte

nido

de

agua

%

temperaturaC

1520

2530 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

20 Agua

CUADRO 1.5 Actividad del agua de algunos alimentos

aa

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 0.35Azcar 0.10

Para su elaboracin 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 losmtodos tradicionales ya conocidos, y para la aa se pueden emplear diferentes sistemas basados enlas mediciones de la presin de vapor, de la temperatura de roco, del abatimiento del punto de con-gelamiento, de las temperaturas de bulbos hmedo y seco, etctera.32, 37 Con el higrmetro, el alimentose coloca en una cmara cerrada y la determinacin se hace en el espacio de cabeza mediante diver-sos potencimetros que contienen compuestos higroscpicos como el cloruro de litio o las resinas deintercambio inico, cuyas conductividades elctricas cambian con la humedad relativa.

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

Dichas atmsferas 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 K2CO3, NaNO2, KCl y K2SO4, ge-neran una HR de 43%, 65%, 85% y 97%, respectivamente.33

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

La cintica de adsorcin de los polvos es muy importante, ya que con base en ella se disea elempaque y se determinan las condiciones de almacenamiento; aunque cada producto se hidrata demanera diferente, esto se puede modificar con la ayuda de aditivos, o manipulando las condicionesde su procesamiento. La albmina del huevo se hidrata ms rpidamente cuando no contiene la ye-

ma, posiblemente porque en sta existen lpidos que rechazan el agua; la influencia de los hidratosde 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 AGUA Y ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOS

Los diversos mtodos de conservacin se basan en el control de una o ms de las variables que in-fluyen en la estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de nutrimentosy 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 unproducto. En la figura 1.10 aparece su relacin con el pH; la ubicacin del alimento en este sencillodiagrama da una indicacin clara de su estabilidad y contribuye a determinar la necesidad de trata-mientos 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, mayorser su inestabilidad, por ejemplo, en carnes, frutas y vegetales frescos que requieren refrigeracinpor esta causa. Por el contrario, los alimentos estables a temperatura ambiente (excepto los tratadostrmicamente y comercialmente estriles, como los enlatados), son bajos en aa, como sucede con losde 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 in-fluencia de la actividad del agua en varias de las reacciones qumicas y enzimticas que ocurren enlos alimentos (oscurecimiento, rancidez, etctera), as como en el crecimiento de hongos, levadurasy 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 loque 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 estabili-dad 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,14inactivacin del inhibidor de tripsina,31 destruccin de pigmentos,23 produccin del aroma de pro-ductos cocidos,17 estabilidades de pastas y harinas,29 y de las frutas,34 y en muchos otros productosy reacciones.

La estabilidad de las vitaminas est 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 hidratacin de la monocapa, yse ven ms afectadas con el aumento de la aa. Por el contrario, en los productos muy secos no exis-te 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 undistinto poder reductor que afecta la velocidad de la reaccin. En general, la energa de activacin yla temperatura requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua; la velocidad seacelera 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

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)

alim

ento

s de

hum

edad

inte

rmed

ia

ZONA DEALTA ESTABILIDAD

alimentos cidos

ZONA DEBAJA

ESTABILIDAD

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

3.0 4.04.6

5.0 6.0 7.0 pH

12

3

4

9

85

67

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 losreactivos, lo que favorece la reaccin por un mayor contacto; al reducir an ms el agua, se pierdemovilidad de los reactivos y se inhibe la reaccin y por eso, en alimentos muy concentrados con az-cares, 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 proce-so para prevenir el oscurecimiento.9

La oxidacin de los aceites insaturados (captulo 4) y de otras sustancias liposolubles, como lasvitaminas y varios pigmentos, est influida por la aa de acuerdo con la figura 1.7, en la que se obser-

1.10 Alimentos de humedad intermedia 23

va un fuerte incremento por debajo de la monocapa, ocasionado por una falta de agua que proteja deloxgeno 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 losmetales 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 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 oxgeno, de presin, de temperatura y de actividad del agua; como regla general, esta ltimatendr que ser mayor a medida que los otros parmetros se vuelvan menos favorables. Por cada 0.1unidades de aumento de aa, el crecimiento microbiano puede incrementarse un 100%, hasta llegara un lmite. Los que ms agua requieren son las bacterias (0.91), despus las levaduras (0.88), yluego 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 produc-cin de toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano. La reduccin de la disponibilidad deagua inhibe dicho crecimiento, pero a su vez incrementa la resistencia trmica de los microorganis-mos, lo que indica que para destruirlos es mejor el calor hmedo que el calor seco.41 Los microor-ganismos responden a una baja humedad, prolongando su fase inicial, bajando la fase logartmica yreduciendo el nmero de clulas viables.

CUADRO 1.6 Valores mnimos de la actividad del agua para el crecimiento de microorganismosde importancia en alimentos

Organismo Mnima

Mayora de bacterias dainas 0.91Mayora de levaduras dainas 0.88Mayora de hongos dainos 0.80Bacteria halfila 0.75Levadura osmfila 0.60Salmonella 0.95Clostridium botulinum 0.95Escherichia coli 0.96Staphylococcus aureus 0.86Bacillus subtilis 0.95

ALIMENTOS DE HUMEDAD INTERMEDIA

Los alimentos de humedad intermedia tienen una larga vida de anaquel y no necesitan de rehidrata-cin o de enfriamiento para conservarse, por lo que son adecuados para zonas y pases en donde larefrigeracin no existe o es muy costosa. No hay una definicin 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 lmite, ya

1.10

24 Agua

que es suficiente para inhibir bacterias patgenas, como el Staphylococcus aureus,26 aunque es in-suficiente para evitar hongos y levaduras, por lo que en su elaboracin se aaden sorbatos y ben-zoatos.10, 15

Estos productos se fabrican quitndole agua al alimento o adicionndole solutos altamente hidra-tables que retienen agua y reducen consecuentemente la aa. En el primer caso, la concentracin porevaporacin es muy comn y se emplea en la leche, que de aa 0.97 pasa a 0.80 0.82, con lo que seobtiene una leche evaporada con una mayor vida de anaquel; de la misma manera se fabrican merme-ladas, dulces, jaleas, nctares y otros. La reduccin del contenido de agua provoca la concentracinde otras sustancias, como los cidos que abaten el pH y que tambin contribuyen a la estabilidad mi-crobiana del alimento.

La influencia de los solutos en la reduccin de la actividad del agua en un alimento es muy com-pleja; la ecuacin (1) se refiere a sistemas ideales, muy simples, de los cuales no existen muchos. S-lo como un ejemplo de aplicacin de dicha frmula, considrese un litro de agua pura, por lo queMs 0 y por tanto aa 1.0; si se le aaden 2 moles de sacarosa (684 g, pm 342), la aa 0.96,ya que Ma 55.5 (1,000/18). Si fuera almidn (pm un milln), se requerira una mayor cantidadpara lograr el mismo valor, lo que indica la gran influencia de los solutos de bajo pm. Las desviacio-nes de la ecuacin (1) en un alimento se comprueban fcilmente, y son ms notorias mientras mscomplejo sea ste.

Los solutos de bajo pm se seleccionan de acuerdo con su solubilidad, eficiencia, sabor, com-patibilidad, pH, costo, regulaciones, etctera; se tienen, por ejemplo, azcares (sacarosa, glucosa,fructosa, maltosa y lactosa), sales (cloruros de sodio y de potasio y varios fosfatos), polialcoholes(sorbitol, glicerina, manitol y propilenglicol), cidos (fosfrico, lctico, ctrico, ascrbico y fumri-co), hidrolizados de protena, etctera.12, 16, 38, 39 Es claro que la concentracin requerida para cadauno de ellos depende de muchos factores, como el sabor. Por ejemplo, para reducir la actividad del aguade un crnico con la sola adicin de NaCl, se necesitara tal concentracin de sal que volvera el pro-ducto imposible de comer. La combinacin de estas sustancias, junto con los conservadores y otrosagentes, provoca la estabilidad de los alimentos de humedad intermedia.

Al ser un potencial qumico, la diferencia de aa que existe entre el exterior y el alimento, o in-cluso entre sus propios ingredientes, causa la migracin del agua. El material del envase es funda-mental, ya que si ste es permeable y el alimento se almacena en una atmsfera de HR mayor que lade equilibrio, habr una migracin hacia el interior (higroscopicidad), y la aa se incrementar; por elcontrario, si la humedad exte