Transcript of Libro badui2006 26571
- 1. Vistenos en: www.pearsoneducacion.net En esta nueva edicin
de Qumica de los alimentos, totalmente ac- tualizada, participan
prestigiosos investigadores-profesores de reconocidas instituciones
educativas. Aunque se mantiene la estructura del libro, se han
revisado, concienzudamente y de manera individual, cada uno de los
componentes de los alimen- tos:agua,hidratos de
carbono,protenas,lpidos,enzimas,vitami- nas, nutrimentos
inorgnicos, color y sabor, as como el estado de dispersin en el que
se integran dichos componentes. Asimismo, se mantienen los temas
referentes a la leche y a la soya, como ejemplos de aplicacin de
los conceptos explicados en otras partes del libro. Adicionalmente,
se han incluido dos captulos nuevos: uno sobre los txicos que se
encuentran en los alimentos y los que se gene- ran durante su
procesamiento,y otro sobre los alimentos transg- nicos, tema que en
los ltimos aos ha tenido gran relevancia y que seguramente impactar
fuertemente en todo lo relacionado con la tecnologa de los
alimentos. Cuarta edicin Salvador Badui Dergal Badui Cuarta edicin
Port 1 11/1/05 8:06 AM Page 1
- 2. Qumica de los alimentos Cuarta edicin
- 3. Qumica de los alimentos Cuarta edicin Salvador Badui Dergal
Director Tcnico Grupo Herdez, S.A. de C.V. REVISIN TCNICA: Hctor
Cejudo Gmez Coordinador de la licenciatura en Ingeniera de
Alimentos Departamento de Ingeniera y Ciencias Qumicas Universidad
Iberoamericana, campus Ciudad de Mxico Captulo 1 Dr. Salvador Badui
Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 2 Dra. Sara Esther Valds
Martnez Facultad de Estudios Superiores Cuautitln Universidad
Nacional Autnoma de Mxico Captulo 3 Dra. Amanda Glvez Mariscal Dra.
Idalia Flores Argello Dra. Amelia Farrs Gonzlez Saravia
Departamento de Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica
Universidad Nacional Autnoma de Mxico Captulo 4 Dr. Salvador Badui
Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 5 Dra. Maricarmen
Quirasco Baruch Departamento de Alimentos y Biotecnologa Facultad
de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico Dr. Agustn
Lpez-Mungua Canales Instituto de Biotecnologa Universidad Nacional
Autnoma de Mxico Captulo 6 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez,
S.A. de C.V. Captulo 7 Dra. Isabel Guerrero Legarreta Departamento
de Biotecnologa Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa
Dra. Elosa Lpez Hernndez Divisin Acadmica de Ciencias Agropecuarias
Universidad Jurez Autnoma de Tabasco Dr. Roberto E. Armenta Lpez
Food Technology Centre Charlottetown, Prince Edward Island, Canad
Captulo 8 Dra. Edith Ponce Alquicira Departamento de Biotecnologa
Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa Captulo 9 Dr.
Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 10 Dr. Jos
Gerardo Montejano Gaitn Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores de Monterrey Campus Quertaro Captulo 11 Dr. Pedro Valle
Vega Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico
Captulo 12 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V.
Captulo 13 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V.
Captulo 14 Dra. Amanda Glvez Mariscal M. en C. Alejandra Barrios
Prez Q.A. Ana Berenice de la Barrera Avils Departamento de
Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica Universidad Nacional
Autnoma de Mxico Con la colaboracin de:
- 4. Datos de catalogacin bibliogrfica BADUI DERGAL, SALVADOR
Qumica de los alimentos. Cuarta edicin PEARSON EDUCACIN, Mxico,
2006 ISBN: 970-26-0670-5 rea: Qumica Formato: 18.5 23.5 cm Pginas:
736 Editor: Enrique Quintanar Duarte e-mail:
enrique.quintanar@pearsoned.com Editor de desarrollo: Miguel B.
Gutirrez Hernndez Supervisor de Produccin: Jos D. Hernndez Garduo
Diseo de portada: Kariza, S.A. de C.V. CUARTA EDICIN, 2006 D.R.
2006 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco No.
500, 5 piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Jurez, Edo.
de Mxico Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg.
Nm. 1031. Addison Wesley es una marca registrada de Pearson
Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni
la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse,
registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de
informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico,
mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia,
grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del
editor. El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso
de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus
representantes. ISBN 970-26-0670-5 Impreso en Mxico. Printed in
Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 09 08 07 06
- 5. Captulo 1 Agua 1 1.1 Introduccin 1 1.2 Fuentes de agua para
el ser humano 2 1.3 Propiedades del agua 3 1.3.1 Propiedades
fisicoqumicas 6 1.4 Estados fsicos del agua 9 1.5 Efecto de los
solutos en el agua 11 1.6 Distribucin del agua en los alimentos 13
1.7 Actividad del agua 15 1.8 Determinacin de las curvas de
adsorcin y desorcin 19 1.9 Actividad del agua y estabilidad de los
alimentos 21 1.10 Alimentos de humedad intermedia 23 1.11
Congelamiento de los alimentos 25 1.12 El agua en la industria
alimentaria 25 Referencias bibliogrficas 27 Captulo 2 Hidratos de
carbono 29 2.1 Introduccin 29 2.2 Clasificacin y nomenclatura 30
2.3 Monosacridos 31 2.3.1 Distribucin en la naturaleza 32 2.3.2
Estructura qumica 34 2.4 Aminoazcares 37 2.5 Desoxiazcares 39 2.6
Azcares-alcoholes o polioles 40 2.7 Glucsidos 41 2.8 Oligosacridos
47 2.8.1 Sacarosa 48 2.8.2 Maltosa 52 2.8.3 Lactosa 53 2.8.4 Otros
oligosacridos 53 2.9 Reacciones qumicas de los monosacridos 56
2.9.1 Por lcalis 56 2.9.2 Por cidos 57 2.9.3 Por altas temperaturas
57 v Contenido
- 6. 2.9.4 Otras reacciones 58 2.9.5 Reacciones de oscurecimiento
o de empardeamiento 59 2.10 Tecnologa de los azcares 72 2.10.1
Conservacin 72 2.10.2 Cristalizacin 72 2.10.3 Hidratacin 73 2.10.4
Poder edulcorante 73 2.11 Polisacridos 75 2.11.1 Celulosa 78 2.11.2
Hemicelulosa 80 2.11.3 Almidn 81 2.11.4 Pectinas 92 2.11.5 Glucgeno
97 2.11.6 Gomas 97 2.11.7 Fructosanas 106 2.11.8 Otros polisacridos
106 2.12 Fibra 107 Referencias bibliogrficas 109 Captulo 3 Protenas
119 3.1 Introduccin 119 3.2 Aminocidos 121 3.2.1 Del gen a la
protena 124 3.2.2 Esteroqumica de los a-Aminocidos 127 3.2.3
Clasificacin de los aminocidos 128 3.2.4 Reactividad qumica 129
3.2.5 Propiedades cido-base 130 3.3 Pptidos y enlace peptdico 132
3.3.1 Estabilidad y formacin del enlace peptdico 135 3.4 Deteccin y
cuantificacin de aminocidos pptidos y protenas 138 3.4.1 Reacciones
qumicas de los grupos funcionales de las protenas 142 3.5
Organizacin estructural 153 3.5.1 Estabilidad de la estructura
protenica 153 3.5.2 Estructura primaria 154 3.5.3 Estructura
secundaria 155 3.5.4 Estructura terciaria 161 3.5.5 Estructura
cuaternaria 163 3.6 Desnaturalizacin 164 3.6.1 Termodinmica de la
desnaturalizacin 165 3.6.2 Desnaturalizacin por cambios de
temperatura 167 3.6.3 Desnaturalizacin por cambios de pH 170 3.6.4
Desnaturalizacin por urea y cloruro de guanidinio 170 3.6.5
Desnaturalizacin con detergentes 171 3.6.6 Desnaturalizacin con
disolventes orgnicos 172 3.6.7 Efecto de la adicin de sales en la
solubilidad de las protenas 173 3.6.8 Inactivacin mecnica 176 3.6.9
Protelisis 176 vi Contenido
- 7. 3.7 Modificaciones qumicas 176 3.7.1 Tratamientos trmicos
moderados 177 3.7.2 Pirlisis 177 3.7.3 Racemizacin y formacin de
aminocidos modificados 178 3.7.4 Entrecruzamientos 180 3.7.5
Reacciones de las protenas con agentes oxidantes 182 3.7.6
Reacciones con nitritos 184 3.7.7 Reacciones con sulfitos 184 3.7.8
Reacciones carbonil amino 184 3.7.9 Formacin de acrilamida en altas
temperaturas 185 3.7.10 Prdida de aminocidos por fraccionamiento
(fraccionacin) 186 3.8 Propiedades funcionales de las protenas 187
3.8.1 Propiedades de hidratacin 190 3.8.2 Propiedades interfaciales
de las protenas 194 3.8.3 Unin de sabores 201 3.8.4 Viscosidad 202
3.8.5 Gelacin 203 3.9 Propiedades nutricionales 205 3.9.1 Evaluacin
de la calidad protenica 206 3.10 Protenas de algunos alimentos 209
3.10.1 Protenas del huevo 210 3.10.2 Protenas de la carne 213
3.10.3 Gelatina 217 3.10.4 Protenas de pescado: surimi,
hidrolizados de pescado 217 3.10.5 Protenas lcteas 220 3.10.6
Protenas vegetales 222 3.10.7 Protenas de cereales 224 3.10.8
Protenas edulcorantes 232 3.10.9 Pptidos de importancia en el campo
de alimentos 233 3.10.10 Protena microbiana 235 Referencias
bibliogrficas 236 Captulo 4 Lpidos 245 4.1 Introduccin 245 4.2
Clasificacin 246 4.2.1 cidos grasos 248 4.2.2 Acilglicridos 253
4.2.3 Fosfoglicridos 258 4.2.4 Ceras 260 4.2.5 Esteroles 260 4.3
Anlisis fsicos y qumicos 262 4.3.1 ndices 262 4.3.2 Otros anlisis
262 4.4 Manufactura de grasas y aceites 265 4.4.1 Desgomado 267
4.4.2 Neutralizacin 267 Contenido vii
- 8. 4.4.3 Decoloracin 268 4.4.4 Desodorizacin 268 4.4.5
Hibernacin 269 4.5 Procesos de modificacin de grasas y aceites 269
4.5.1 Hidrogenacin 269 4.5.2 Interesterificacin 274 4.5.3
Fraccionamiento 276 4.6 Sistemas grasos en alimentos 277 4.6.1
Margarina 277 4.6.2 Mantecas vegetales 279 4.6.3 Mantequilla 279
4.6.4 Grasas para alimentos infantiles 279 4.6.5 Helados 279 4.6.6
Mayonesa y aderezos 280 4.6.7 Sustitutos de la manteca de cacao 281
4.6.8 Fredo 281 4.7 Deterioro de los lpidos 282 4.7.1 Liplisis 283
4.7.2 Autoxidacin 283 4.7.3 Reversin 288 4.7.4 Radilisis 289 4.7.5
Antioxidantes 289 4.8 Determinacin de la oxidacin 293 4.8.1
Evaluacin sensorial 293 4.8.2 ndice de perxido 294 4.8.3 Mtodo del
cido tiobarbitrico (TBA) 294 4.8.4 Mtodo del oxgeno activo (AOM,
Active Oxygen Method) 294 4.8.5 Mtodo de la bomba de oxgeno 295
4.8.6 Mtodo de incubacin en estufa 295 4.8.7 Otros mtodos 295 4.9
Aspectos nutricionales 295 Referencias bibliogrficas 297 Captulo 5
Enzimas 301 5.1 Introduccin 301 5.2 Nomenclatura 303 5.3 Las
enzimas como catalizadores 304 5.4 Especificidad 306 5.5 Sitio
activo 308 5.6 Factores que afectan la velocidad de las reacciones
enzimticas 310 5.6.1 Efecto del pH 310 5.6.2 Efecto de la
temperatura 311 5.6.3 Efecto de la concentracin de sustrato 314
5.6.4 Efecto de la actividad del agua 315 5.6.5 Efecto de otros
agentes en la actividad enzimtica 315 5.7 Cintica de las reacciones
enzimticas 316 viii Contenido
- 9. 5.8 Cuantificacin de actividad enzimtica 319 5.9 Uso
industrial de las enzimas 320 5.10 Revisin de enzimas de
importancia en alimentos 323 5.10.1 Carbohidrasas 323 5.10.2
Proteasas 335 5.10.3 Lipasas 339 5.10.4 Oxidorreductasas 341 5.10.5
Transferasas 349 5.10.6 Isomerasas 351 5.11 Procesos de inters en
alimentos con enzimas o clulas inmovilizadas 353 5.12 Anlisis
qumico con enzimas 355 5.13 Las enzimas como indicadores de calidad
de alimentos 357 5.14 Tecnologa de ADN recombinante aplicada a la
produccin y modificacin de enzimas de inters en alimentos 357
Referencias bibliogrficas 361 Captulo 6 Vitaminas y nutrimentos
inorgnicos 363 6.1 Introduccin 363 6.2 Contenido de vitaminas en
los alimentos 366 6.3 Vitaminas liposolubles 368 6.3.1 Vitamina A
370 6.3.2 Vitamina D 372 6.3.3 Vitamina E 373 6.3.4 Vitamina K 375
6.4 Vitaminas hidrosolubles 376 6.4.1 Tiamina (B1) 377 6.4.2
Riboflavina (B2) 379 6.4.3 Vitamina B6 381 6.4.4 Vitamina B12 382
6.4.5 Biotina 384 6.4.6 Folatos 385 6.4.7 Niacina 386 6.4.8 cido
pantotnico 387 6.4.9 Vitamina C 387 6.5 Resumen de la estabilidad
de las vitaminas 391 6.6 Nutrimentos inorgnicos 395 6.6.1 Calcio
396 6.6.2 Fsforo 397 6.6.3 Hierro 397 6.6.4 Otros elementos 398
Referencias bibliogrficas 398 Captulo 7 Pigmentos 401 7.1
Introduccin 401 7.2 Pigmentos sintticos y naturales 402 Contenido
ix
- 10. 7.3 Carotenoides 406 7.3.1 Estructura y caractersticas
qumicas 407 7.3.2 Carotenoides en alimentos 407 7.3.3 Obtencin 410
7.3.4 Estabilidad 411 7.3.5 Usos 412 7.3.6 Carotenoides en la salud
humana 412 7.4 Clorofilas 413 7.4.1 Estructura 414 7.4.2 Efecto del
procesamiento 415 7.5 Pigmentos fenlicos 417 7.5.1 Flavonoides 417
7.5.2 Antocianinas 420 7.5.3 Taninos 427 7.6 Betalainas 429 7.6.1
Estructura 430 7.6.2 Estabilidad 431 7.7 Hemopigmentos 432 7.7.1
Estructura 433 7.7.2 Color en carne fresca 434 7.7.3 Color de carne
curada 436 7.8 Otros pigmentos naturales 436 7.8.1 Crcuma 436 7.8.2
cido carmnico 436 7.8.3 Quinonas 436 7.8.4 Xantonas 437 7.8.5 Color
caramelo 438 7.8.6 Gluconato ferroso 438 7.9 Anlisis de pigmentos y
de color 438 Referencias bibliogrficas 439 Captulo 8 Aroma y sabor
445 8.1 Introduccin 445 8.2 Sabor 446 8.2.1 Sabor dulce 448 8.2.2
Sabor amargo 452 8.2.3 Sabor salado 452 8.2.4 Sabor cido 453 8.2.5
Umami 453 8.2.6 Fenmenos de percepcin asociados con los sabores
bsicos 453 8.3 Aromas 454 8.4 Aspectos fisicoqumicos en la
percepcin del sabor y del aroma 457 8.4.1 Proceso de masticacin 457
8.4.2 Efecto de macromolculas en la percepcin del sabor 459 x
Contenido
- 11. 8.5 Mecanismos de la generacin de aromas y sabores 461
8.5.1 Biosntesis 463 8.5.2 Generacin de aromas por el efecto de
tratamiento trmico 480 8.6 Precursores y desarrollo de aroma y
sabor en alimentos 493 8.6.1 Carne y productos crnicos 493 8.6.2
Leche y productos lcteos 494 8.6.3 Bebidas alcohlicas 495 8.7
Anlisis de compuestos de aroma y sabor 496 8.7.1 Extraccin de
compuestos del aroma y sabor 498 8.7.2 Identificacin de compuestos
del aroma y sabor 499 Referencias bibliogrficas 503 Captulo 9
Aditivos 507 9.1 Introduccin 507 9.2 Aspectos legales 509 9.3
Conservadores 510 9.3.1 cido benzoico y benzoatos 511 9.3.2 cido
srbico y sorbatos 512 9.3.3 cido actico y acetatos 512 9.3.4
Parabenos 512 9.3.5 cido propinico y propionatos 513 9.3.6 Sulfitos
y dixido de azufre 513 9.3.7 Nitritos y nitratos 514 9.3.8
Antibiticos 515 9.3.9 Pirocarbonato de dietilo 517 9.3.10 Epxidos
517 9.3.11 Otros conservadores 518 9.4 Emulsionantes 518 9.5
Polioles o polialcoholes 521 9.6 Potenciadores del sabor 522 9.7
Acidulantes, alcalinizantes y reguladores de pH 524 9.8
Secuestradores o quelantes 527 9.9 Edulcorantes 528 9.10
Gasificantes para panificacin 532 9.11 Acondicionadores de
panificacin 533 9.12 Antiaglomerantes 535 9.13 Antiespumantes 535
9.14 Colorantes 536 9.15 Clarificantes 539 9.16 Sustancias para
masticar 540 9.17 Humectantes 540 9.18 Sustitutos de grasas 540
9.19 Nutrimentos 541 9.20 Saborizantes, saboreadores o
aromatizantes 542 9.21 Otros aditivos 543 Referencias bibliogrficas
543 Contenido xi
- 12. Captulo 10 Estado de dispersin 547 10.1 Introduccin 547
10.2 Clasificacin de los coloides 549 10.3 Estabilidad de los
coloides 552 10.4 Soles 553 10.4.1 Propiedades reolgicas de los
soles 554 10.5 Geles 556 10.6 Espumas 558 10.7 Emulsiones 560
Referencias bibliogrficas 563 Captulo 11 Txicos presentes en los
alimentos 565 11.1 Introduccin 565 11.2 Leguminosas 566 11.2.1
Glucsidos cianognicos 567 11.2.2 Promotores de flatulencia 568
11.2.3 Inhibidores de proteasas como la tripsina 568 11.2.4
Fitohemaglutininas 570 11.2.5 Saponinas 570 11.2.6 Favismo 570 11.3
Cereales 571 11.3.1 Toxinas producidas por hongos (micotoxinas) 571
11.3.2 cido ftico 577 11.4 Inhibidores de amilasas 578 11.5 Bebidas
estimulantes 578 11.6 Pptidos, protenas y aminocidos txicos 579
11.6.1 Amatoxina y falotoxina 579 11.6.2 Islanditoxina 580 11.6.3
Toxina botulnica 581 11.6.4 Toxinas de Staphilococcus sp. 581
11.6.5 Selenoaminocidos 581 11.6.6 Canavanina 582 11.6.7 Mimosina
582 11.7 Gosipol 583 11.8 Capsaicina 583 11.9 Solanina y chaconina
583 11.10 Sustancias promotoras de bocio 584 11.11 Toxinas en
mariscos y peces 586 11.11.1 Saxitoxina 586 11.11.2 Tetradoxina 586
11.12 Antivitaminas 587 11.13 Txicos presentes en la miel de abeja
588 11.14 Compuestos txicos generados por proceso 590 11.14.1
Compuestos producidos por altas temperaturas 591 xii Contenido
- 13. 11.15 Racemizacin de aminocidos y formacin de isopptidos
596 11.16 Formacin de aminas bigenas 597 11.17 Fumigantes y
disolventes 597 11.18 Comentarios 598 Referencias bibliogrficas 598
Captulo 12 Leche 603 12.1 Introduccin 603 12.2 Composicin de la
leche 604 12.2.1 Lpidos 605 12.2.2 Lactosa 608 12.2.3 Protenas 609
12.2.4 Enzimas 615 12.2.5 Vitaminas 616 12.2.6 Sales y nutrimentos
inorgnicos 617 12.3 Propiedades fsicas de la leche 617 12.4 Estado
de dispersin de la leche 618 12.4.1 Fase miscelar 619 12.4.2 Fase
lipdica 620 12.5 Productos lcteos 621 12.5.1 Leche pasteurizada,
ultrapasteurizada y esterilizada 621 12.5.2 Quesos 626 12.5.3
Yogurt 628 12.5.4 Otros productos lcteos 628 Referencias
bibliogrficas 629 Captulo 13 Soya 633 13.1 Introduccin 633 13.2
Protenas de la soya 635 13.3 Formas comerciales de la soya 637
13.3.1 Harinas 638 13.3.2 Concentrados 640 13.3.3 Aislados 642 13.4
Propiedades funcionales 644 13.4.1 Modificaciones de las protenas
646 13.5 Factores antifisiolgicos 646 13.6 Soya y nutricin 647 13.7
Mejora gentica de la soya 648 Referencias bibliogrficas 649 Captulo
14 Alimentos transgnicos 651 14.1 Ingeniera gentica y alimentos 651
14.2 Principales mtodos para la transferencia de genes 657
Contenido xiii
- 14. 14.3 Modificaciones genticas ms utilizadas para la
produccin de alimentos 659 14.3.1 Caracteres de inters ms
utilizados 659 14.4 FlavrSavr el primer alimento GM 662 14.5 Los
OGMs comerciales para alimentacin 663 14.5.1 Granos a granel 663
14.5.2 Variedades comerciales de menor volumen y movimiento 665
14.6 Microorganismos GM para la produccin de enzimas auxiliares de
proceso 666 14.7 OGMs de segunda generacin 668 14.7.1 Plantas que
producen aceites modificados 671 14.7.2 Papas GM 676 14.8 OGMs de
tercera generacin 679 14.9 Animales domsticos GM 682 14.9.1 Peces
682 14.9.2 Ganado y aves de corral 683 14.10 Modificaciones de
inters para productores y para el consumidor 683 14.11 Posibles
impactos en la salud humana y anlisis de riesgo 684 Referencias
bibliogrficas 688 Anexo I 693 ndice 703 xiv Contenido
- 15. Desde sus inicios, la humanidad ha sustentado una lucha
continua contra el hambre, que es y seguir siendo uno de sus
principales enemigos. Sin embargo, la importancia de la tecnologa
de los alimen- tos fue reconocida muy recientemente, y apenas hace
unos 20 aos se manifiesta en todo el mundo una verdadera
preocupacin por la implantacin de nuevas metodologas para la
produccin, el pro- cesamiento y la conservacin de productos
alimenticios. La ciencia y la tecnologa de los alimentos surgen
como una necesidad imperiosa de formar individuos calificados,
capaces de entender y resolver los diferentes problemas que se
presentan en esta rea tan prioritaria de desarrollo; una
caractersti- ca comn a todos ellos es su conocimiento de la qumica
de los alimentos, que est de alguna manera relacionada con todos
los productos que ingerimos. Los orgenes de la qumica de los
alimentos se pierden en la historia de la humanidad. No se po- dra
definir con exactitud una fecha de sus comienzos debido a que estn
ntimamente ligados a los descubrimientos cientficos y tecnolgicos
que se efectuaron en otras reas. Muchas de las tcnicas de obtencin
y procesamiento de alimentos que actualmente se emplean provienen
de civilizaciones como la egipcia, la griega, la romana, la azteca
u otras ms antiguas. El fue- go y el humo, el aceite y el vinagre,
la fermentacin, la sal, la cera y la miel eran utilizados por estos
pueblos para la preparacin y la conservacin de sus alimentos, y su
uso fue transmitido de generacin en generacin hasta llegar a
nuestros das. Aunque es probable que muchos de esos procesos hayan
si- do descubiertos por casualidad, o bien a travs de continuas
pruebas de ensayo y error, el hecho es que cada civilizacin ha
contribuido en algo al desarrollo de nuestra actual tecnologa
alimentaria. Mucho ms recientemente, en el siglo XIX, se produjo
una serie de cambios cientficos muy 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 que ayudaran a
entender mejor los mecanismos de sobreviviencia de las clulas. En
las ltimas dcadas han aumentado en forma muy considerable nuestros
conocimientos sobre bioqumica; el descubri- miento de las rutas
metablicas utilizadas por las clulas, tanto de animales como de
vegetales, ha hecho que con base en la bioqumica hayan nacido otras
ciencias, como la enzimologa, que tiene una gran importancia en
alimentos. Los conocimientos cientficos y tecnolgicos con los que
actualmente contamos son extraordi- nariamente amplios y profundos
comparados con los que tenan los tcnicos en alimentos de hace tan
slo 20 o 30 aos. Cada uno de los diferentes componentes de los
alimentos ha creado toda una rea especializada de estudios; as por
ejemplo existe personal altamente calificado que trabaja sobre
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
aumenta diariamente. La qumica de los alimentos est directamente
relacionada con todas las transformaciones que sufren stos a lo
largo de las manipulaciones a las que estn sujetos. Es una ciencia
que cada da va adquiriendo mayor importancia puesto que representa
la estructura bsica del conocimiento en el que se apoyan todas las
tecnologas relacionadas con los alimentos. Introduccin xv
- 16. Desde 1993, ao de la edicin anterior del presente libro,
han tenido lugar numerosos avances, tanto tcnicos como cientficos,
en los distintos aspectos que se cubren en la tecnologa de los
alimentos y, particularmente, de la qumica. Durante este tiempo
transcurrido se profundiz y se enriquecieron muchos de los
conceptos clsicos, mientras que surgieron otros y unos ms se
eliminaron; se desa- rroll una gama ms amplia de aditivos para uso
de la industria; y algunos, prohibidos en el pasado, ahora son
aceptados; nacieron los alimentos funcionales, los prebiticos y los
probiticos; se identifi- caron y aislaron nuevos componentes de los
distintos productos de origen vegetal y animal; algunos estudios
sobre toxicidad se revocaron y fueron reemplazados por otros
efectuados con procedimien- tos ms confiables; la ingeniera gentica
se consolid y se establecieron formas novedosas de pro- ducir y
modificar la composicin qumica de diversos cultivos; la soya pas de
ser una semilla para la elaboracin de piensos a un producto
recomendado por la Food and Drug Administration, de los Estados
Unidos, para la prevencin de algunos problemas de salud; se
generaliz la produccin y aplicacin de un mayor nmero de enzimas
comerciales; se establecieron nuevas recomendaciones para una dieta
ms saludable; amn de muchos otros cambios debido a distintas
necesidades y 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 adecuacin de diversas legislaciones en el mundo que
promueven una mayor informacin al pblico. En general, en la
actualidad se cuenta con conocimientos ms amplios y profundos sobre
este 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 este texto. Los diversos mtodos de anlisis instrumental
cualitativo y cuantitativo se han perfeccionado y ahora se cuenta
con una mayor sensibilidad y certeza en los resultados; esto ha
provocado que varios postulados de hace algunos aos hayan sido
modificados al encontrarse nueva evidencia soportada por estudios
ms confiables; por lo que en ciertos casos, lo que ayer era
aceptado por la comunidad cientfica, ahora solamente forma parte
del pasado. Todos estos motivos, obligaron a actualizar la presente
obra, aun cuando se mantiene su 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 responsables del color y del sabor, as
como el estado de dispersin en que se encuentran dichos componentes
in- tegrando los distintos alimentos. Se mantienen las secciones
dedicadas al estudio de la leche y de la soya, como ejemplos de
aplicacin de los conceptos explicados en otros captulos. Como una
aportacin muy valiosa, y complementaria, se incluye un captulo
dedicado al tema de la toxicologa de los compuestos inherentes a
los alimentos, y los que se generan durante su 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 relevancia puesto que en
un futuro prximo se podrn disear alimentos para necesidades muy
especficas, con lo cual se modificar la qumica tradicional de los
mismos. Prlogo xvii
- 17. En la actualizacin de esta nueva edicin participan
prestigiosos investigadores-profesores de 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 fin de facilitar la lectura y la comprensin del
texto. En lo que se refiere a la bibliografa, se mantiene aquella
que es vlida hasta el da de hoy, pero tambin se incluye toda la que
se emple para 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 que integran la qumica de los
alimentos. Salvador Badui Dergal xviii Prlogo
- 18. INTRODUCCIN En muchas ocasiones, al agua no se le considera
un nutrimento porque no sufre cambios qumicos durante su
aprovechamiento biolgico; pero es un hecho que sin ella no pueden
llevarse a cabo las innumerables transformaciones bioqumicas
propias de todas las clulas activas: des- de una sencilla bacteria
hasta el complejo sistema del organismo del hombre. 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 relativamente
amplio. Tiene un gran nmero de funciones biolgicas basadas en su
capa- cidad fsica para transportar sustancias, disolver otras y
mantenerlas tanto en solucin como en suspensin coloidal y tambin en
su reacti- vidad qumica, al intervenir en la fotosntesis y en
muchas reacciones 1 Captulo Agua 1 1.1 Introduccin 1.2 Fuentes de
agua para el ser humano 1.3 Propiedades del agua 1.4 Estados fsicos
del agua 1.5 Efecto de los solutos en el agua 1.6 Distribucin del
agua en los alimentos 1.7 Actividad del agua 1.8 Determinacin de
las curvas de adsorcin y de desorcin 1.9 Actividad del agua y
estabilidad de los alimentos 1.10 Alimentos de humedad intermedia
1.11 Congelamiento de los alimentos 1.12 El agua en la industria
alimentaria Referencias bibliogrficas 1.1 Salvador Badui
Dergal
- 19. 2 Agua enzimticas de hidrlisis; es decir, participa
activamente en la sntesis de hidratos de carbono a par- tir de CO2,
fundamental en la vida de este planeta, y en la conversin de
diversos materiales comple- jos (polisacridos, protenas, grasas,
etctera) a formas ms sencillas y asimilables para las plantas y los
animales.2 Muchas de las macromolculas de inters biolgico, como las
enzimas y los cidos nucleicos, se vuelven activas slo cuando
adquieren sus correspondientes estructuras secundaria, terciaria,
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 en un medio en el que el contenido de agua es
fundamental. Es, por mucho, el principal constituyente de todos los
tejidos vivos, ya que representa general- mente al menos el 60% de
su composicin. En los alimentos se encuentra hasta en un 96-97%,
como es el caso de algunas frutas en las que es un factor
fundamental de la frescura; incluso, muchos 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 su vez, los componentes de
los alimentos influyen en las propiedades del agua que ms adelante
se mencionan.8 Para el tecnlogo es muy importante conocer su
comportamiento en los tres estados fsicos, l- quido, hielo y vapor;
desde el punto de vista de la ingeniera, sus propiedades
fisicoqumicas (calor de vaporizacin, calor especfico, etctera)
influyen en el diseo de los procesos para manejar y transformar los
alimentos; su influencia es decisiva para obtener deshidratados con
buena aceptacin; en la rehidratacin y el congelamiento es preciso
comprender la manera como se comporta, tanto en su forma lquida
como en el hielo, para evitar posibles daos. Para conservar los
alimentos es necesario determinar su influencia en el crecimiento
microbiano y en las distintas reacciones fsicas, qumicas y
enzimticas negativas que se estudian en otros captulos de este
texto; por mucho, el enemigo a vencer son los diversos
microorganismos, hongos, levaduras y bacterias, los cuales son
controlados si se les restringe el agua disponible (actividad del
agua) para evitar su crecimiento, con procesos co- mo concentracin,
deshidratacin, congelamiento, liofilizacin, salado y azucarado
(estos dos ltimos por aumento de la presin osmtica). FUENTES DE
AGUA PARA EL SER HUMANO Entre el 60 y 70% del cuerpo humano es
agua, aun cuando hay ciertos tejidos como huesos, cabe- llos y
dientes que la contienen escasamente. Es un disolvente lquido
inerte, de pH neutro, que sirve de transporte en la sangre y la
linfa, y que regula la temperatura corporal; el organismo la pierde
con- tinuamente por el sudor, la orina, la respiracin y las heces,
y requiere un mnimo aproximado de 2,500 mL diarios (depende de la
edad, sexo, actividad fsica, etctera) para llevar a cabo adecuada-
mente innumerables reacciones propias de las distintas funciones
biolgicas; el cuadro 1.1 muestra un balance aproximado del agua
consumida y eliminada por un hombre durante un da. La fuente ms
importante es la ingesta de lquidos, pero tambin se adquiere de
diferentes ali- mentos, como los vegetales abundantes en agua, la
leche, que tiene un 87%, de los huevos con un 74% y del pan, que
con aproximadamente 40% es uno de los alimentos ms comunes y con
menor cantidad de ella (cuadro 1.2). 1.2
- 20. 1.3 Propiedades del agua 3 CUADRO 1.1 Balance de agua en el
ser humano Agua ingerida Agua perdida (mLl/da) Fuente (mL/da) Medio
850 Alimentos 1,400 Orina 1,300 Bebidas 400 Pulmones 350 Oxidacin
de 500 Piel nutrimentos 200 Heces 2,500 2,500 CUADRO 1.2 Contenido
aproximado de agua de algunos alimentos (%) Lechuga, esprrago,
coliflor 95 Brcoli, zanahoria 90 Manzana, durazno, naranja 88 Leche
87 Papa, pera 80 Huevo, pollo 74 Carne de res 70 Carne de cerdo,
helado 60 Pan 40 Queso 45 Mantequilla 16 Galletas 5 Chocolate 2
Otra fuente, de menor importancia, se origina en el propio cuerpo
debido a reacciones metabli- cas: la oxidacin de una molcula de
glucosa genera seis de H2O, que equivalen a 0.6 g por gramo de
monosacrido: C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O. Adems de los hidratos de
carbono, tambin se 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 de las rbitas
moleculares s y p del oxgeno; las 1s del hidrgeno comparten dos
electrones con las h- 1.3
- 21. bridas sp3 del oxgeno. A su vez, este elemento tiene un par
de electrones libres considerados como dos fuerzas separadas, que
junto con los dos enlaces covalentes, establece una molcula con una
for- ma imaginaria de tetraedro (figura 1.1). 4 Agua (+) (+) (+)(+)
(+) (+) 2() () () () () (a) (b) (c) 0.14 nm 0.12 nm 0.33 nmH 0.096
nm O 104.5 H H H H O 104.5 direccin del momento dipolar Figura 1.1
Representacin esquemtica de la molcula de agua: (a) y (b)
estructura tetradrica imaginaria formada por las rbitas sp3 del
oxgeno, y (c) dimensiones de la molcula de agua.11
- 22. Mediante diversos estudios de espectroscopia, rayos X,
resonancia magntica nuclear, 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 Van der Waals del hidrgeno
y del oxgeno son de 0.12 nm (1.2 ) y 0.14 nm, respectivamente; que
la longitud del enlace covalente es de 0.096 nm y que el ngulo
formado es de 104.5. En el agua existe una diferencia de
electronegatividades que se debe precisamente a que el oxge- no
tiene un gran poder de atraccin por los electrones de los dos
hidrgenos, lo que ocasiona que stos desarrollen una carga parcial
positiva d() temporal, y que el tomo de oxgeno desarrolle una carga
parcial doble negativa 2 d() temporal; esto hace que se produzca un
momento dipolar muy fuerte, cu- ya direccin se observa en la figura
1.1. Es decir, esta molcula no tiene una carga determinada, pero s
un dipolo elctrico potente que le permite crear puentes de hidrgeno
estables con otras molculas iguales o diferentes, pero de
naturaleza polar. El momento dipolar que se establece, se observa
como una orientacin de la molcula en un campo elctrico con la parte
negativa hacia el nodo y la positi- va hacia el ctodo. El puente de
hidrgeno no es un enlace qumico propiamente, sino una atraccin
electrosttica que se produce cuando dos tomos negativos de
compuestos polares se unen mediante uno de 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 como la longitud del puente de hidrgeno entre molculas
vecinas (p. ej. 0.276 nm o 2.76 , en la figura 1.2a) se ve afectado
por la temperatura; esto se refleja, por ejemplo, en la densidad
del agua que se incrementa a medida que interaccionan ms molculas a
una menor distancia, y alcanza un mximo a 3.98C. 1.3 Propiedades
del agua 5 O O O O O O H H H H O H H H H H H H H H H (4) (1) (2)
(3) (a) (b) 0.276nm 0.177nm (c) Puentes de hidrgeno Molcula de agua
Figura 1.2 Puentes de hidrgeno entre molculas de agua: (a) las
molculas 1, 2 y la central se hallan en el plano del papel; la 3 se
encuentra por encima de l, y la 4 detrs del plano;27 (b) interaccin
de molculas de agua a travs de puentes de hidrgeno, y (c) los
puentes de hidrgeno entre molculas de agua producen una estructura
imaginaria tetradrica con el oxgeno al centro.
- 23. Debido a sus cargas parciales, la molcula de agua tiene dos
sitios receptores y dos donadores de electrones, por lo que su
interaccin mediante puentes de hidrgeno crea grandes estructuras
tri- dimensionales estables en el hielo y en el agua lquida,
responsables de sus propiedades fsicas tan peculiares que ms
adelante se mencionan. Las molculas como NH3, que no tienen igual
nmero de receptores y de donadores (1 y 3, respectivamente), slo
forman estructuras bidimensionales y no 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 a sus
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 reolgicas muy
particulares. Las temperaturas bajas favorecen la formacin de
puentes de hidrgeno, mientras que las altas los destruyen; se
considera que en el hielo, el 100% de las molculas establecen
puentes de hidrgeno, y que en el vapor este porcentaje es cero. La
funcin biolgica del hombre se efecta al- rededor de los 37C,
temperatura en la que se produce un 35-45% de los puentes de
hidrgeno; por lo tanto, debe existir alguna relacin entre la
estructura del agua en estas condiciones y la facilidad para que se
lleven a cabo las reacciones que sustentan la vida. 6 Agua C O S O
O O O O O H H H H H H H H H H H H H OH NH C = O Figura 1.3 Formacin
de puentes de hidrgeno con diversos grupos funcionales de los
hidratos de carbono, de las protenas y de los cidos grasos. 1.3.1
Propiedades fisicoqumicas Debido a la formacin de estructuras
tridimensionales mediante puentes de hidrgeno, el agua 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, tienen puntos 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 que son muy superiores
a los del resto del grupo. Si se siguiera una relacin matemtica de
acuerdo con los pesos moleculares, el agua tendra que fundir a 150C
y hervir a 80C, por lo que en las con- diciones ambientales
normales sera un gas. No lo es, precisamente por una fuerte cohesin
interna debida a los puentes de hidrgeno; de los cuatro hidruros,
el del oxgeno es el nico que se encuen- tra en estado lquido a la
temperatura en que se desarrolla la vida (10-50C, aproximadamente)
en nuestro planeta.
- 24. El calor de vaporizacin, el calor especfico, su
conductividad, sus propiedades dielctricas, etctera, son por mucho
muy peculiares y muy distintas a las de molculas semejantes. Por
ejemplo, su elevado calor latente de vaporizacin (2,260 kJ/g o 539
kcal/g), representa la energa necesaria para transformar un
kilogramo de agua lquida en vapor a 100C, y la que se re- quiere
para romper las fuerzas atractivas, de tal manera que las molculas
individualmente puedan escapar y pasar a la fase gaseosa. A manera
de comparacin y para entender mejor este valor, cabe sealar que el
metanol, el etanol, la acetona y el cloroformo (todos disolventes
orgnicos comunes), presentan calores de vaporizacin inferiores:
263, 205, 125 y 59 kcal/g, respectivamente. El alto va- lor indica
que se necesita mucha energa para vaporizar un poco de agua (como
en la deshidratacin de alimentos), o que la vaporizacin de pequeas
cantidades de ella es suficiente para sustraer mu- cho calor; esto
explica por qu la vaporizacin del sudor es responsable de la mayor
parte del calor perdido por un organismo. El proceso inverso al de
la vaporacin, la condensacin, es exotrmico y libera una cantidad
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 con hielo,
ya que a medida que este se funde, sustrae mucha cantidad de energa
del lquido. Como vapor, el agua sigue la ley de los gases ideales,
PV = nRT (P, presin; V, volumen, n, nmero de molculas, R, constante
y T, temperatura), que muestra la relacin de la presin y la 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 temperatura
alcance la esterilizacin comercial a 121C (250F). El alto calor
especfico del agua (4.186 kJ/gK o 1 cal/gC a 20C) indica la
necesidad de 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 a calentarla. 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 a presin
atmosfrica. Otra implicacin del alto valor de este parmetro se da
en la regulacin de la temperatura del cuerpo humano, ya que provoca
que el agua absorba el calor cuando hay cambios bruscos externos,
sin afectar la temperatura interna; en forma semejante, tambin hace
que los 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 de la temperatura. La ionizacin del agua pura es mnima,
pero influye en la formacin del H3O+ causada por la adicin de
cidos, lo que a su vez repercute en la reduccin del pH de la
solucin. Como disolvente, el agua tiene una infinidad de
aplicaciones en la naturaleza (existen disolucio- nes, como ocanos,
mares, lagos, ros, etctera), al igual que en los alimentos, en el
plasma sanguneo y en la orina, que desempean un papel vital para el
cuerpo humano. Muchas sales y compuestos 1.3 Propiedades del agua
7
- 25. inicos y no inicos, slo se solubilizan en agua y nunca en
disolventes apolares (cloroformo, 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. El
agua 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 hidratacin depende de la densidad de
carga, que es igual a la carga total dividida entre el radio inico;
para una misma carga, la retencin de agua es mayor en los iones
pequeos que en los grandes; la hidratacin del K es menor que la del
Na, ya que el radio del primero es mayor y, en consecuencia, su
densi- dad de carga es menor. El agua es un buen disolvente debido
a su alta constante dielctrica, D, que por definicin es una medida
de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas
electrostticas de atraccin F entre iones con carga opuesta: donde
e1 y e2 son los iones y r es la distancia entre ellos. El valor D
para el agua es muy alto (80 a 20C), comparado con el de otros
disolventes: metanol, 33; etanol, 24; acetona, 21; benceno, 2; e
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 el mismo que opera cuando se establecen
dispersiones acuosas de polisacridos, protenas y otros po- lmeros,
los cuales no producen soluciones verdaderas, sino suspensiones
coloidales estabilizadas en el agua con dichas uniones (figura
1.3). Cabe indicar que la disolucin se efecta cuando la
concentracin del agua es muy superior a la del soluto; sin embargo,
cuando sta es baja, las sustancias no se disuelven, solamente se
hidratan, y forman fluidos muy viscosos o incluso geles, en los que
el agua queda retenida tambin por puentes de hidrgeno en una red
tridimensional. Las molculas de agua que estn en contacto con el
aire se comportan de una manera muy 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 hacia el
interior (el agua), y no haca el exterior (el aire). Este
comportamiento dificulta la humectacin de polvos, ya que hay que
vencer una alta tensin superficial de la interfase agua/aire de
72.75 di- nas/cm, a 20C. Para formar nuevas superficies de
interaccin agua-partcula slida, como en la hidratacin, se recurre a
los agentes tensoactivos, como en el caso de los aderezos y de
otras 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
- 26. menta la tensin superficial del agua, pero sta se reduce al
aumentar la temperatura, ya que las fuerzas atractivas interiores
se inhiben. ESTADOS FSICOS DEL AGUA De acuerdo con la cantidad e
intensidad de puentes de hidrgeno que contenga, el agua existir en
uno de los tres estados fsicos conocidos: gas, lquido y slido,
propiedad que es exclusiva de esta sustancia en nuestro planeta. A
una atmsfera de presin, estos estados dependen exclusivamente de la
temperatura, por lo que a 0C se presenta como hielo y a 100C, como
vapor; sin embargo, a una presin de 4.579 mm de mercurio y a
0.0099C (en el llamado punto triple), se considera que los tres
estados se encuentran conjuntamente en equilibrio, como muestra la
figura 1.5. Las conversiones de un estado a otro se llevan a cabo
modificando la presin y la temperatura; la evaporacin sucede por la
ruta d de la figura 1.5, y ocurre en la deshidratacin convencional,
como en charolas, por aspersin y en tambor rotatorio; debido al
alto valor del calor de vaporizacin, en estos sistemas se requiere
mucha energa, y esto puede ocasionar que los grupos hidrfilos
hidrata- dos de las protenas y de los hidratos de carbono se
deterioren trmicamente y pierdan su capacidad posterior de
rehidratacin. Por esta razn, muchos de los productos secados con
estos procedimien- tos no son muy solubles y requieren de agua
caliente y de una agitacin violenta para disolverlos. En la
liofilizacin, el agua se elimina por sublimacin (conversin de slido
a gas sin pasar por lquido), y no por evaporacin, como en el caso
anterior, y se representa en la figura 1.5 con la ruta a-b-c; el
primer paso consiste en la congelacin rpida del producto (p. ej. a
20C) para producir 1.4 Estados fsicos del agua 9 Aire Agua
Interfase Figura 1.4 Representacin esquemtica de la interaccin
agua:aire. Las flechas indican los puentes de hidrgeno. 1.4
- 27. hielo amorfo, sin redes estructuradas tpicas de los
cristales (a); le sigue una fuerte reduccin de la presin por debajo
del punto triple (b); y, por ltimo, se aplica una pequea cantidad
de calor por ra- diacin, (calor latente de sublimacin, 2,825 kJ/g o
675 cal/g), que slo es suficiente para la subli- macin y no para la
fusin del hielo (c). Ya que en la sublimacin se emplean
temperaturas bajas, el alimento no sufre daos trmicos, y los grupos
hidrfilos que retienen agua no se ven afectados; la rehidratacin de
los liofilizados es muy sencilla, y con ella se obtienen alimentos
con propiedades sensoriales (aroma, textura, sabor, etctera) y
contenido vitamnico muy semejantes a los de las ma- terias primas.
Sin embargo, debido al mayor costo del equipo y de la operacin,
este sistema slo se emplea en te, caf, algunos vegetales, carnes y
otros, pero en la industria farmacutica es el mtodo de secado por
excelencia. En estado lquido, el agua establece puentes de hidrgeno
y crea una estructura tridimensional que se ha explicado con varios
modelos tericos; en general, se considera que estas uniones estn
uni- formemente distribuidas en todas las molculas de agua,
formando una red uniforme. Otros modelos suponen que hay agua
agregada, de muy corta vida y en permanente formacin, dispersa en
un sis- tema de agua monomrica cuyas molculas no estn unidas; los
agregados se forman y se disocian constantemente, lo que conduce a
una movilidad y fluidez de las molculas de agua. Por otra parte, el
hielo es una estructura ms ordenada y simtrica de molculas de agua
unidas ntegramente por medio de puentes de hidrgeno, que trae
consigo una reduccin de la entropa del sistema lquido; cada molcula
de agua interacciona con otras cuatro y establece enlaces de una
dis- tancia oxgeno-oxgeno de 2.76 y un ngulo de unin de 109, muy
cercano al del ngulo del te- 10 Agua slido lquido presin mm de Hg a
b c d gas 0.0099 temperatura C 4.579 Figura 1.5 Diagrama de fases
del agua. a) Congelacin, b) Reduccin de la presin, c) Sublimacin,
d) Evaporacin. La ruta a-b-c muestra el proceso de
liofilizacin.
- 28. traedro perfecto de 10920, lo que evita tensiones en la
estructura. Los oxgenos interaccionan de tal manera que generan
planos paralelos de agua, segn la figura 1.6, y hacen que el hielo
adquiera un arreglo hexagonal simtrico en donde cada vrtice est
representado por un tomo de oxgeno. En el descongelamiento, la
estructura cristalina desaparece y, a medida que el hielo se funde,
una mo- lcula de agua puede ligar ms de cuatro de las mismas al
reducirse la distancia entre ellas, lo que trae consigo una mayor
fuerza de unin y un aumento de densidad mximo a 3.98C; si el
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% de los puentes de hidrgeno. El aumento del volumen por la
reduccin de la densidad cuando se enfra y congela es la razn por la
que el hielo flota en el agua; la densidad del hielo a 0C es de
0.9168 g/cm3, mientras que la del agua a la misma temperatura es de
0.9998, y a 20C es de 0.9982. Las diferencias entre las estructuras
del agua y del hielo se reflejan en diversas propiedades, co- mo la
conductividad trmica; el hielo es ms conductor con un valor de
2,240 J/m seg K (5.3 cal/cm seg C), que es cuatro veces el del
agua. EFECTO DE LOS SOLUTOS EN EL AGUA La presencia de los solutos
inicos, no inico polar y apolar causa cambios importantes en la
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. La sacarosa 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 de hidrgeno puentes de hidrgeno, 2.76
Figura 1.6 (a) Estructura hexagonal de los cristales de hielo
formados mediante puentes de hidrgeno entre molculas de agua, y (b)
planos paralelos de las molculas de hielo. 1.5
- 29. en la industria de la confitera; en este proceso, entre
cuatro y seis molculas de agua interaccionan e hidratan el
disacrido para mantenerlo en disolucin. Por el contrario, el
cloruro de sodio, al ab- sorber una mnima cantidad de calor, su
solubilidad se ve menos afectada por el incremento de la 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 en concentraciones muy bajas de solutos y de los cuales no
existen muchos en alimentos. Las desvia- ciones con respecto a la
Ley de Raoult se deben a muchas causas, entre otras a que los
solutos 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
estructura de capilares del alimento, etctera. En el caso de una
solucin ideal, la depresin de la temperatura de congelamiento del
agua, t, es proporcional a la concentracin del soluto: donde K, es
una constante del disolvente, n son los moles de soluto (g/pm) y p,
el peso del disolvente. Se deduce que para la misma cantidad de un
soluto, el de menor peso molecular provocar una mayor reduccin,
puesto que un mol es igual a la cantidad en gramos dividida entre
el peso 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 es de 180, que es de la glucosa.5 Los solutos alteran
el punto de congelamiento del agua debido a que rompen el arreglo
tetra- drico de puentes de hidrgeno en el hielo al reducir la
energa libre del sistema. En general, los no inicos tienen un menor
efecto que los inicos, tanto en la reduccin de la temperatura de
congela- cin como en el aumento de la de ebullicin: un mol de
sacarosa (no inico) disuelto en 1,000 g de agua reduce 1.86C el
congelamiento e incrementa 0.52C la ebullicin; para el NaCl
(inico), estas cifras se convierten en 3.72C y 1.04C,
respectivamente; por este motivo, a grandes altitudes, se aa- de
sal comn al agua de coccin para contrarrestar el efecto de la
reduccin del punto de ebullicin por la menor presin atmosfrica. La
solubilidad del NaCl se limita con el fro, por lo que la 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 calidad para 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 relacionar
ambos parmetros en soluciones acuosas binarias muy simples, de tal
forma que con dicho punto de congelamiento se deduce el valor de la
actividad del agua.4, 28 t K n p 12 Agua
- 30. Los grupos no inicos polares como hidroxilos, carbonilos,
enlaces peptdicos y otros similares, participan en la creacin de
puentes de hidrgeno y modifican las interacciones internas entre
las propias molculas de agua; los que tienen un momento dipolar muy
grande, como la tirosina y la fe- nilalanina, inhiben la formacin y
la estabilizacin de las estructuras acuosas. Por el contrario, los
solutos no polares, como hidrocarburos, cidos grasos, algunos
aminocidos, etctera, al no disol- verse, favorecen las formas
estables de agregados o clatratos en los que los solutos se
localizan en los espacios vacos, obligando a las molculas de agua a
interactuar ms fuerte y ordenadamente. Por otra parte, cuando el
agua y una solucin se separan por una membrana semipermeable (per-
meable al disolvente y no al soluto), la tendencia es que el agua
pase a la solucin hasta que el equi- librio de concentraciones se
alcance en los dos sistemas. A la presin requerida para que esto
suceda se le llama presin osmtica y aumenta con la concentracin de
los solutos disueltos. Gracias a esto las clulas de los vegetales,
con sus respectivas membranas, mantienen su frescura cuando se
remojan; su contenido de solutos, azcares, cidos y sales ocasiona
la movilizacin del agua del entorno 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, principio que se usa como medio de
conservacin de algunos alimentos. DISTRIBUCIN DEL AGUA EN LOS
ALIMENTOS El trmino contenido de agua de un alimento se refiere, en
general, a toda el agua de manera global. Sin embargo, en los
tejidos animal y vegetal, el agua no est uniformemente distribuida
por muchas razones, por ejemplo, debido a los complejos hidratados
que se producen con protenas, a los 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; el citoplasma de las
clulas presenta un alto porcentaje de polipptidos capaces de
retener ms agua que los organelos que carecen de macromolculas
hidrfilas semejantes. Esta situacin de heteroge- neidad de la
distribucin del agua tambin se presenta en productos procesados
debido a que sus componentes se encuentran en distintas formas de
dispersin. Por estas razones, en los alimentos existen diferentes
estados energticos en los que se encuen- tra el agua; es decir, no
toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades
fisicoqumicas, y esto se puede comprobar fcilmente por las diversas
temperaturas de congelamiento que se obser- van; en general, un
alimento se congela a 20C, pero aun en estas condiciones una
fraccin del agua permanece lquida y requiere de temperaturas ms
bajas, por ejemplo 40C, para que solidi- fique completamente. En el
cuadro 1.3 se observa que para el caso de la leche descremada con
un 9.3% de slidos, el 4% de su agua no congela aun a 24C por la
presencia de una solucin con 72% de slidos; por su parte, en la
leche concentrada con un 26% de slidos, el agua no congelada 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 agua no 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
- 31. 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 que el producto contiene ms agua, mientras que en los
deshidratados, dicha relacin se reduce conside- rablemente. Algunos
investigadores consideran que el agua ligada est fuertemente unida
al ali- mento por medio de puentes de hidrgeno, pero otros
establecen que dicha agua slo est fsicamente atrapada en una matriz
muy viscosa que no permite su movilidad y difusin y, por lo tanto,
no est disponible. CUADRO 1.3 Agua no congelable y su contenido de
slidos Leche descremada Leche descremada concentrada Temperatura
(9.3% slidos) (26% slidos) Agua Slidos en Agua Slidos en no
congelable solucin no congelable solucin (C) (%) (%) (%) (%) 24 4.0
72.0 12.0 74.5 20 4.5 69.5 14.0 71.5 16 5.0 67.1 15.5 69.4 12 5.5
65.2 19.0 64.8 8 7.5 57.8 26.0 57.5 4 12.5 45.1 47.0 42.8 2 25.0
29.0 80.0 30.5 Para entender mejor estos conceptos, considrese una
molcula de almidn completamente seca con un gran nmero de
hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de
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 la leche en polvo
presentan valores de 0.11, 0.06 y 0.03 g/g de slido,
respectivamente. Esta agua est fuertemente unida a la superficie
seca, su fugacidad es baja y en consecuencia, su presin de vapor es
reducida. Si se contina aadiendo lquido, se construirn capas
superiores sobre la 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, que incluye a la capa
BET, tiene cierta movilidad, ya que ejerce una presin de vapor
mensurable. De igual forma, no hay agua completamente libre debido
a que tambin est unida a otras molculas de su misma especie o con
otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el
alimento; no es libre puesto que no se libera del alimento (p. ej.
frutas y hortalizas), cuando se somete a esfuerzos mec- nicos
ligeros y no fluye cuando se corta un trozo de carne fresca, aun en
tamaos minsculos. Estos conceptos se relacionan con la capacidad de
retencin de agua de diversas protenas y po- lisacridos, que en
forma natural integran tejidos y que por su hidratacin le
proporcionan frescura a los alimentos; adems, por esta misma razn,
dichos polmeros se emplean como aditivos en la in-
- 32. dustria alimentaria. La capacidad de retencin de agua es
una medida de la cantidad del lquido que puede quedar atrapado en
una red, sin que exista exudacin o sinresis. Para efectos
estrictamente didcticos y con datos muy generales, se ha elaborado
la figura 1.7, en la que se aprecian tres zonas hipotticas en las
que se puede dividir el agua contenida en un pro- ducto. La que
integra la zona III se considera libre, se encuentra en
macrocapilares y forma parte de las soluciones que disuelven las
sustancias de bajo peso molecular, es la ms abundante, fcil de
congelar y evaporar, y su eliminacin reduce la actividad del agua a
0.8. En la zona II, el agua se localiza en diferentes capas ms
estructuradas y en microcapilares; es ms difcil de quitar que la
anterior, pero al lograrlo se obtienen valores dela actividad del
agua de aproximadamente 0.25. Esta fraccin correspondera, junto con
la monocapa, al agua ligada. Por ltimo, el agua en la zona I
equivale a la capa monomolecular y es la ms difcil de elimi- nar en
los procesos comerciales de secado; en algunos casos se puede
reducir parcialmente en la des- hidratacin, pero esto no es
recomendable, ya que, adems de que se requiere mucha energa y se
daa el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, sobre
todo contra las reacciones de oxida- cin de lpidos, porque acta
como barrera del oxgeno. 1.7 Actividad del agua 15 Actividad del
agua velocidadrelativadereaccin zona I zona II zona III a b c d e f
g h contenidodehumedad 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
agua libremonocapa Figura 1.7 Cambios que ocurren en los alimentos
en funcin de la actividad del agua. a) Oxidacin de lpidos; b)
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 de
agua, 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 slo
para efectos de simplificacin, el agua se dividi en libre y en
ligada; la primera sera la nica 1.7
- 33. disponible para el crecimiento de los microorganismos y
para intervenir en las otras transformaciones, ya que la segunda
est unida a la superficie slida y no acta por estar no disponible o
inmvil. Es decir, bajo este sencillo esquema, slo una fraccin del
agua, llamada actividad del agua, aa, es capaz de propiciar estos
cambios y es aquella que tiene movilidad o disponibilidad. Es con
base en este valor emprico que se puede predecir la estabilidad y
la vida til de un producto, y no con su contenido de agua; refleja
el grado de interaccin con los dems constituyentes, adems de que se
relaciona con la formulacin, el control de los procesos de
deshidratacin y de rehidratacin, la mi- gracin de la humedad en el
almacenamiento y muchos otros factores. Si se considera una solucin
ideal, de las que no existen muchas en alimentos, con solutos en
muy reducida concentracin, este trmino puede expresarse de la
siguiente manera: (Ec. 1) donde: fugacidad del disolvente de la
solucin fugacidad del disolvente puro HR humedad relativa P presin
de vapor del agua del alimento Po presin de vapor del agua pura Ms
moles de soluto (g/pm) Ma moles de agua (g/18) P/Po presin de vapor
relativa Termodinmicamente, la fugacidad es una medida de la
tendencia de un lquido a escaparse de una solucin; en virtud de que
el vapor de agua se comporta aproximadamente como un gas ideal, se
puede emplear la presin de vapor en lugar de la fugacidad. Es
decir, en forma ideal, la aa es 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 desvan de 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 beneficios prcticos, 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 de
Riesgos y Control de Puntos Crticos (HACCP, de las siglas en ingls
Hazard Analysis and Critical Control Points), generalmente se le
considera como un punto crtico. Sin tomar en cuenta esta ligera
inexactitud, se concluye que la aa es la presin de vapor de las
molculas de agua en el espacio de cabeza en un recipiente cerrado,
comparada con la presin de 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 HR 100 Ma Ma Ms 16 Agua
- 34. 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, principalmente las de bajo
peso molecular.7, 35 Estas formas de medicin de dicha
disponibilidad y su influencia en la estabilidad de los alimentos
resultan muy complicadas, por lo que, por el momento, se seguir 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 una cmara 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 facilidad de sta para escapar del alimento. Tanto los
higrmetros como los manmetros miden la humedad y la presin de vapor
en el espacio de cabeza de la cmara. Por consiguiente, se tendr un
par de valores, de humedad relativa vs contenido de agua, a una
temperatura determinada; si esto se repite con diferentes
porcentajes de agua, y los resultados se 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 al graficarse crean la isoterma de adsorcin (hidratacin
del slido). La figura 1.8 muestra las dos isotermas antes
descritas, llamadas de sorcin; se aprecia que pa- ra un contenido
de humedad constante la actividad del agua es menor durante la
desorcin que en la adsorcin, o que para una aa determinada, la
humedad es mayor en el secado que en la hidratacin. Se observa
tambin que estos procesos opuestos no son reversibles por un camino
comn, fenme- no que recibe el nombre genrico de histresis. 1.7
Actividad del agua 17 desorcin adsorcin Actividad del agua
contenidodehumedad 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Figura 1.8 Curvas tpicas de
las isotermas de adsorcin y desorcin de los alimentos.
- 35. 18 Agua CUADRO 1.4 Porcentaje de humedad de equilibrio a
varias humedades relativas Humedad relativa (%) 10 30 50 70 90 Pan
blanco 0.5 3.1 6.2 11.1 19.0 Galletas 2.1 3.3 5.0 8.3 14.9 Pastas
5.1 8.8 11.7 16.2 22.1 Harinas 2.6 5.3 8.0 12.4 19.1 Almidn 2.2 5.2
7.4 9.2 12.7 Gelatina 0.7 2.8 4.9 7.6 11.4 Por ejemplo, la
histresis se presenta con una protena hidratada que se seca en una
atmsfera de humedad relativa de 35% y alcanza el equilibrio a un
contenido de 10% de agua (curva de desorcin); por otra parte, si la
misma protena completamente deshidratada se coloca en dicha
atmsfera, 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 humedad de
equilibrio, la actividad del agua y la temperatura.1 En el cuadro
1.4 se muestra la variacin del porcentaje de humedad de equilibrio,
o adsorcin, de diversos productos al someterlos a atmsferas de
humedad relativa creciente; es claro que a 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 lo hace la presin de vapor,
como se observa en la figura 1.9 que muestra la tendencia
general.25 Esta de- pendencia ha sido motivo de muchos modelos
matemticos, y para la capa monomolecular se ha esta- blecido la
ecuacin: ln Xm b aT, donde: Xm es el contenido de agua de la capa
en gramos por 100 g de slido seco, T la temperatura y a y b son
constantes.19, 20 Para ilustrar el efecto de la temperatura en la
actividad del agua, considrese un ejemplo hipottico de frutas
semideshidratadas, no esterilizadas, con 45% de humedad, empacadas
en cajas de cartn y equilibradas con la atmsfera a 20C, como
muestra la figura 1.9; durante su envo a los clientes, la
temperatura del camin subi a 35C y as per- maneci por varias horas,
de tal manera que la aa se desplaz de 0.42 original a casi 0.8,
situacin en la que ahora pueden crecer hongos y levaduras, adems de
propiciarse algunas reacciones de deterioro en detrimento del
producto. Dependiendo del alimento, pero como regla general, muy
pequeas fluc- tuaciones de temperatura pueden ocasionar grandes
modificaciones en la actividad del agua. Por otra parte, la aa
tambin est en funcin de los slidos que contenga un alimento, y para
de- mostrarlo se han desarrollado diversas relaciones lineales
matemticas; ste es el caso del suero de la leche, cuya concentracin
C (gramos de slido por 100 g de agua) es proporcional a la
actividad del agua, mediante la ecuacin aa 0.999 0.000558 C. Para
este producto en particular, la lactosa y las sales, y en menor
grado las protenas, son las que determinan los valores de aa.22
Como ya se mencion, el abatimiento de la temperatura de
congelamiento, t, causa una reduc- cin de la presin de vapor y, en
consecuencia, en la actividad del agua, de acuerdo con la siguiente
expresin: aa 1 1 0.0097t
- 36. esta ecuacin se puede aplicar en alimentos congelados en un
intervalo de temperatura de 0 a 40C.6 De hecho, en soluciones
acuosas binarias sencillas como leche descremada, bebidas y 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, de Iglesias y Chirife, de Bradley, de Smith, de Henderson,
etctera.40 En general, existe mucha informacin sobre los valores de
la actividad del agua de un gran nmero de alimentos (cuadro 1.5).
Las frutas, las hortalizas, la carne y muchos enlatados tienen, en
promedio, 0.97; contrariamente a stos, los productos deshidratados
van de aproximadamente 0.3 a 0.6, mientras que los llamados
alimentos de humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos
extremos. DETERMINACIN DE LAS CURVAS DE ADSORCIN Y DESORCIN La
isoterma de adsorcin representa la cintica con la que un alimento
adsorbe humedad y se hidra- ta, y es importante conocerla ya que
refleja el comportamiento de los deshidratados almacenados en
atmsferas hmedas (higroscopicidad). De manera semejante, la de
desorcin equivale al proceso de deshidratacin y refleja la forma
como pierde agua.24 Con base en ambas curvas se disean los sis-
temas de almacenamiento, de secado, de rehidratacin, etctera, adems
de que ayudan a predecir la estabilidad de los alimentos
almacenados en distintas condiciones. 1.8 Determinacin de las
curvas de adsorcin y desorcin 19 actividad del agua
contenidodeagua% temperatura C 15 20 25 30 35 45 0 0.2 0.4 0.6 0.8
1.0 Figura 1.9 Influencia de la temperatura en las isotermas de
adsorcin. 1.8
- 37. 20 Agua CUADRO 1.5 Actividad del agua de algunos alimentos
aa Frutas frescas y enlatadas 0.97 Verduras 0.97 Jugos 0.97 Huevos
0.97 Carne 0.97 Queso 0.95 Pan 0.94 Mermeladas 0.86 Frutas secas
0.73 Miel 0.70 Huevo en polvo 5% humedad 0.40 Galletas, cereales
0.35 Azcar 0.10 Para su elaboracin es preciso calcular el contenido
de humedad y la actividad del agua en el ali- mento, cuando se
alcanza el equilibrio en un sistema cerrado; para medir el primero
se utilizan los mtodos tradicionales ya conocidos, y para la aa se
pueden emplear diferentes sistemas basados en las mediciones de la
presin de vapor, de la temperatura de roco, del abatimiento del
punto de con- gelamiento, de las temperaturas de bulbos hmedo y
seco, etctera.32, 37 Con el higrmetro, el alimento se coloca en una
cmara cerrada y la determinacin se hace en el espacio de cabeza
mediante diver- sos potencimetros que contienen compuestos
higroscpicos como el cloruro de litio o las resinas de intercambio
inico, cuyas conductividades elctricas cambian con la humedad
relativa. En ausencia de instrumentos, las isotermas se determinan
colocando muestras del alimento en distintas cmaras cerradas
hermticamente (p. ej. un desecador de laboratorio), en cuyo
interior se generan atmsferas con una humedad relativa conocida y
estable. De esta forma, al alcanzar el 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 de algunas sales, como la
del NaCl que produce una HR 75% en el espacio de cabeza del
recipiente cerrado en que se encuentre; de igual manera, las
disoluciones de K2CO3, NaNO2, KCl y K2SO4, 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 alimento
seco con disoluciones salinas de HR altas, y cuando se quiere
determinar la de desorcin, se usa el alimento hmedo con HR bajas.
La cintica de adsorcin de los polvos es muy importante, ya que con
base en ella se disea el empaque y se determinan las condiciones de
almacenamiento; aunque cada producto se hidrata de manera
diferente, esto se puede modificar con la ayuda de aditivos, o
manipulando las condiciones de su procesamiento. La albmina del
huevo se hidrata ms rpidamente cuando no contiene la ye-
- 38. ma, posiblemente porque en sta existen lpidos que rechazan
el agua; la influencia de los hidratos de carbono igualmente
desempea un papel muy importante en este comportamiento.18, 30 Los
valores de las isotermas tambin pueden determinarse con base en
ecuaciones matemticas, como la de Clausius Clapeyron con la que se
calcula la aa a cualquier temperatura cuando se cono- ce el calor
de adsorcin-desorcin a una humedad constante. ACTIVIDAD DEL AGUAY
ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOS Los diversos mtodos de conservacin se
basan en el control de una o ms de las variables que in- fluyen en
la estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH,
disponibilidad de nutrimentos y de reactivos, potencial de
oxido-reduccin, presin y presencia de conservadores. En este
sentido, la aa es de fundamental importancia, y con base en ella se
puede conocer el comportamiento de un producto. En la figura 1.10
aparece su relacin con el pH; la ubicacin del alimento en este
sencillo diagrama da una indicacin clara de su estabilidad y
contribuye a determinar la necesidad de 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, mayor ser su inestabilidad, por
ejemplo, en carnes, frutas y vegetales frescos que requieren
refrigeracin por esta causa. Por el contrario, los alimentos
estables a temperatura ambiente (excepto los tratados trmicamente y
comercialmente estriles, como los enlatados), son bajos en aa, como
sucede con los de humedad intermedia en los que el crecimiento
microbiano es retardado. Como ya se indic, en forma resumida y slo
con fines didcticos, la figura 1.7 muestra la in- fluencia de la
actividad del agua en varias de las reacciones qumicas y enzimticas
que ocurren en los alimentos (oscurecimiento, rancidez, etctera),
as como en el crecimiento de hongos, levaduras y bacterias. Esta
grfica vara mucho entre los distintos productos, de acuerdo con la
composicin, la homogeneidad de la distribucin de los componentes,
el tipo de reaccin y otros factores, por lo que es solamente
indicativa de las tendencias generales. El contenido de agua por s
solo no proporciona informacin sobre la estabilidad de un alimen-
to y, por eso, productos con la misma humedad, presentan distintas
vidas de anaquel; dicha 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,14
inactivacin 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 productos
y 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, y se 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 un distinto poder reductor que afecta la velocidad
de la reaccin. En general, la energa de activacin y la temperatura
requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua;
la velocidad se acelera de 3 a 6, cuando la aa pasa de 0.35 a 0.65
y hasta tres veces por cada 10C de incremen- 1.9 Actividad del agua
y estabilidad de los alimentos 21 1.9
- 39. 1. Frutas y hortalizas enlatadas 2. Leche y carnes frescas
3. Quesos con alto contenido de agua 4. Jamones 5. Embutidos
fermentados 6. Quesos con bajo contenido de agua 7. Mermeladas 8.
Salsas de tomate 9. Leche condensada y jarabes 10. Frutas secas 11.
Miel 12. Pastas de trigo 13. Galletas secas (productos con 5% de
humedad) 14. Leche deshidratada (productos con menos de 5% de
humedad) alimentosdehumedad intermedia ZONA DE ALTA ESTABILIDAD
alimentos cidos ZONA DE BAJA ESTABILIDAD 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
0.4 0.3 3.0 4.0 4.6 5.0 6.0 7.0 pH 1 2 3 4 9 8 5 6 7 10 11 12 13 14
alimentos no cidos aa Figura 1.10 Influencia de la aa y del pH en
la estabilidad de los alimentos. 22 Agua to. Sin embargo, cuando se
concentran los alimentos se abate la aa, pero tambin se concentran
los reactivos, lo que favorece la reaccin por un mayor contacto; al
reducir an ms el agua, se pierde movilidad de los reactivos y se
inhibe la reaccin y por eso, en alimentos muy concentrados con 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 las vitaminas y varios pigmentos, est influida por la aa de
acuerdo con la figura 1.7, en la que se obser-
- 40. 1.10 Alimentos de humedad intermedia 23 va un fuerte
incremento por debajo de la monocapa, ocasionado por una falta de
agua que proteja del oxgeno a la superficie del alimento; despus
disminuye con la humedad por formar dicha capa pro- tectora, para
posteriormente aumentar nuevamente debido a que el agua favorece la
movilidad de los metales que catalizan la reaccin para ponerse en
contacto con el sustrato.13 En las enzimas, el agua acta
facilitando la integracin de su estructura protenica, lo que con-
lleva a la formacin del centro activo; adems, tambin favorece la
difusin de los reactivos e inter- viene como tal en las reacciones
de hidrlisis. Cada enzima requiere una aa para realizar su funcin;
sin embargo, cuando el sustrato es lquido, como los aceites, las
lipasas necesitan solamente un m- nimo de agua (captulo 4),
mientras que las carbohidrasas y proteasas requieren de aa mayores
en un intervalo muy amplio (p. ej. desde 0.4 hasta 0.95). Para su
crecimiento, los microorganismos necesitan condiciones propicias de
pH, de nutrimen- tos, de oxgeno, de presin, de temperatura y de
actividad del agua; como regla general, esta ltima tendr que ser
mayor a medida que los otros parmetros se vuelvan menos favorables.
Por cada 0.1 unidades de aumento de aa, el crecimiento microbiano
puede incrementarse un 100%, hasta llegar a un lmite. Los que ms
agua requieren son las bacterias (0.91), despus las levaduras
(0.88), y luego los hongos (0.80); de todos, los patgenos son los
que ms la necesitan para su desarrollo, situacin contraria a las
levaduras osmfilas (cuadro 1.6). Como regla, la aa mnima para la
produc- cin de toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano.
La reduccin de la disponibilidad de agua inhibe dicho crecimiento,
pero a su vez incrementa la resistencia trmica de los 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 y
reduciendo el nmero de clulas viables. CUADRO 1.6 Valores mnimos de
la actividad del agua para el crecimiento de microorganismos de
importancia en alimentos Organismo Mnima Mayora de bacterias dainas
0.91 Mayora de levaduras dainas 0.88 Mayora de hongos dainos 0.80
Bacteria halfila 0.75 Levadura osmfila 0.60 Salmonella 0.95
Clostridium botulinum 0.95 Escherichia coli 0.96 Staphylococcus
aureus 0.86 Bacillus 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
la refrigeracin 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
- 41. 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 por evaporacin es muy comn y se emplea en la leche,
que de aa 0.97 pasa a 0.80 0.82, con lo que se obtiene 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 concentracin de 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 que Ms 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 cantidad para 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 ms complejo 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 cada uno de ellos depende de muchos
factores, como el sabor. Por ejemplo, para reducir la actividad del
agua de 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
otros agentes, 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 la de equilibrio, habr
una migracin hacia el interior (higroscopicidad), y la aa se
incrementar; por el contrario, si la humedad externa es inferior,
se deshidratar. Aun cuando el material de empaque sea totalmente
impermeable, la actividad del agua puede incrementarse con la
temperatura (figura 1.9). En cualquier caso, el alimento tendr una
aa distinta que favorecer el crecimiento de microorganis- mos o de
reacciones indeseables. Por otra parte, esta transferencia de agua
tambin ocurre internamente entre los constituyentes de un alimento,
como sucede en las barras de los cereales con algunos componentes
de humedad in- termedia. El exterior es una galleta seca con 0.3 de
aa (bajo potencial qumico), mientras que el re- lleno de frutas es
de 0.7 (alto potencial qumico), o ms. Este diferencial provoca la
migracin de agua y la hidratacin de la galleta, lo que conlleva a
una reduccin de su crujencia y facilita la oxi- dacin de sus
grasas. Al reducirse el contenido de humedad del relleno, su azcar
cristaliza y libera ms agua, lo que a su vez aumenta la aa y
acelera su migracin. Es posible que un alimento tenga dos
componentes, uno con 15% y otro con 25% de humedad, y la
transferencia se haga del menor al mayor debido a sus distintas aa,
y no con base en sus conte- nidos de agua. Adems de los alimentos,
muchos productos y preparaciones comerciales de pigmentos y de vi-
taminas alcanzan su mayor estabilidad cuando se les ajusta la
actividad del agua en el intervalo de los de humedad
intermedia.
- 42. CONGELAMIENTO DE LOS ALIMENTOS De acuerdo con la ecuacin de
Arrhenius, la reduccin de la temperatura inhibe las reacciones qu-
micas y enzimticas y el crecimiento microbiano, aun cuando en la
refrigeracin (0 10C) y en la congelacin ( 0C) tambin se
desarrollan. Esto se debe, en parte, a que los alimentos, por tener
disueltas sustancias de bajo peso molecular, como sales y azcares,
presentan zonas ricas en solutos cuya temperatura de congelacin se
abate considerablemente y no toda el agua se convierte en hie- lo
en el congelamiento, sino que quedan secciones lquidas ricas en
solutos. En el cuadro 1.3 se muestra el agua no congelada en dos
productos lcteos a distintas temperatu- ras, as como los slidos
disueltos que c