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BROMATOLOGIA EL AGUA EN SISTEMAS ALIMENTICIOS ING. LUIS ARTICA LUIS ARTICA M. 2015
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BROMATOLOGIA
EL AGUA EN SISTEMAS
ALIMENTICIOS
ING. LUIS ARTICA
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EL AGUA
Juega un Rol importante en
la velocidad con que se
deterioran los alimentos
PRESERVACIÓN DE ALIMENTOS
- Sirve para mejorar procesos
- Diseñar nuevos productos
- Predecir la estabilidad de alimentos
- Predecir la estabilidad microbiológica de alimentos
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EL AGUA EN ALIMENTOS
- Sustancia abundante en la naturaleza, esencial
para los procesos de los seres vivos debido a
las diversas funciones que desempeña.
- Componente mayoritario en los sistemas
alimenticios
- Contribuye en forma determinante; la textura,
apariencia, sabor.
- Factor importante en el deterioro de alimentosLUIS ARTICA M. 2015
Presenta los tres estados de la materia
Representa el 70 al 90% del peso de los sistemas biológicos
Las principales funciones biológicas (transporte, disolución, solución)
Sustancia de gran reactividad
Cantidad, localización y orientación
Su eliminación o inmovilización
Interacciones con proteínas, carbohidratos, lípidos, sales etc.
Propiedades Generales
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ALIMENTOS AGUA
Carne de cerdo 53-60
Carne de vacuno 50-70
Carne de pollo 74
Carne de pescado 65-81
Peras 80-85
Manzana 85-90
Melocotones 85-90
Naranjas 85-90
Fresas 90-95
Tomates 90-95
Paltas 74-80
Plátanos 74-80
Arvejas 74-80
Zanahorias 80-90
Espárragos 90-95
Coliflor 90-95
Lechugas 90-95
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- Formado por dos moléculas de H y una
de oxígeno
Estructura del agua
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- Los seis electrones de valencia del
oxígeno están hibridados en la molécula
del agua en los cuatro orbitales sp3.
Estructura del agua
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- Carga total neutra ( igual Nº de protones y electrones)
- Distribución asimétrica de electrones:POLAR
105°
0.096 nm
Estructura del agua
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- Alrededor del Oxigeno = densidad de
carga negativa
- Alrededor de hidrógeno = densidad de
carga positiva
Estructura del agua
DIPOLO
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- Interacciones dipolo – dipolo
Estructura del agua
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a. ACCION DISOLVENTE
- Disolvente universal (puentes de hidrógeno
Propiedades del agua
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- Los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua quedando atrapados y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.
Propiedades del agua
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b. Elevada fuerza de cohesión
- Los puentes de hidrógeno mantienen las
moléculas de agua fuertemente unidas,
formando un estructura compacta que lo
convierte en un líquido casi
incompresible.
Propiedades del agua
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c. Elevada fuerza de Adhesión
- Responsable del fenómeno de
CAPILARIDAD
Presión que ejerce la columna
de agua = presión capilar
Propiedades del agua
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e. Gran calor específico
- Responsable: puentes de H.
- El agua pude absorber grandes
cantidades
de calor que utiliza para romper los p. De
H.
Por lo que la temperatura se eleva muy
lentamente.
Propiedades del agua
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e. Elevado calor de vaporización:
- Paso de fase líquida a gaseosa
mediante
dotación de energía cinética
- Para evaporar un gramo de agua se
necesita 540 cal. a 20°C
Propiedades del agua
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LIQUIDO CALOR DE
VAPORIZACIÓN ( cal /g )
Agua 540
Metanol 263
Etanol 204
Acetona 125
Benceno 94
Cloroforma 59
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- Soporte: o medio donde ocurren las reaccionen metabólicas
- Amortiguador térmico
- Transporte de sustancias
- Lubricante: amortiguadora del roce entre órganos
- Favorece la circulación y turgencia
- Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos
- Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.
Funciones del agua
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El agua tiene la capacidad de disociarse:
- agua molecular (H2O)
- Protones hidratados (H3O)
- Iones Hidroxilo (OH)
Ionización del agua
Disociación del agua
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1. Osmosis y Presión Osmótica
- Paso de disolvente de un medio de mayor
concentración de solutos a otro de menor a
través de una membrana semipermeable.
OSMOSIS
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2. La difusión y la diálisis
Las partículas dispersas pueden provocar
además del movimiento de ósmosis , estos
otros dos:
La diálisis. En este caso pueden atravesar la
membrana además del disolvente, moléculas
de bajo peso molecular y éstas pasan
atravesando la membrana desde la solución
más concentrada a la más diluida. Es el
fundamento de la hemodiálisis que intenta
sustituir la filtración renal deteriorada.
La difusiónsería el fenómeno por el cual las
moléculas disueltas tienden a distribuirse
uniformemente en el seno del agua. Puede
ocurrir también a través de una membrana si es
lo suficientemente permeableLUIS ARTICA M. 2015
- No está uniformemente distribuida
- Citoplasma hay proteínas (equilibrio)
- Diferentes estados energéticos y de
comportamiento fisicoquímico (no todo el
agua de un producto tiene las mismas
propiedades: diversas t° de congelación)
INTERACCION FISICA = absorbida
INTERACCION QUMICA = adsorbida
DISTRIBUCION DEL AGUA EN LOS ALIMENTOS
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1. Agua de la Monocapa: se encuentra
interaccionando en los sitios activos
de los componentes biológicos,
mediante puentes de H.
C = O ---- H N - H ---- O - H
O H
H
División:
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2. Agua de la Multicapa: Es el agua que se encuentra próxima al agua de la monocapa en forma de multicapas.
C = O ---- H
O H
H H O
O H
H
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3. Agua de los Capilares: El agua se encuentra en el interior de los micro capilares de la partícula de los alimentos.
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Isotermas de Sorcion
Modelos Matemáticos de
GAB y BET
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Introducción
El valor de la cantidad de agua en un
alimento no es suficiente para conocer la
alterabilidad de ese alimento. Hay
alimentos que con una gran cantidad de
agua no se alteran y otros que con
menos sí. Para intentar prever esto
surge el concepto de la actividad de
agua. (aw).
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La Cantidad de agua en un alimento en
relación a la humedad relativa que lo
rodea pueden ser graficados y/o
representados por una curva
denominada Isoterma de Sorcion los
que son predecidos a base de Modelos
y/o Ecuaciones Teóricas como la
Isoterma de BET y GAT
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aw= presión de vapor del agua del alimento /
presión de vapor del agua pura (=1).
Donde : P será 0 como mínimo (alimentos sin
agua) o 1 como máximo.
Po
Paw
La actividad de agua es :
Actividad de Agua
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Donde:
n1 son los moles de
solvente (agua)
n2 son los moles de
soluto.
La actividad de agua se puede expresar en
función de la fracción molar:
21
1
nn
naw
Aw
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Aw
La actividad de agua también se relaciona
con la humedad relativa en el equilibrio (HRE)
que es la humedad de la atmósfera que rodea
al agua. Si cerramos un alimento en cámara
hermética, la atmósfera que lo rodea tendrá
tras un tiempo la misma humedad que el
alimento.
%100
HRE
aw
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Aw
El valor nos indicará la
cantidad de agua
disponible en el
alimento para que se
den las reacciones de
degradación en el
alimento.
Reacciones de
Degradacion
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AW
El valor de actividad de agua
es dependiente de la
temperatura.
Siempre supondremos como
valor estándar un valor de
25ºC.
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Aw
Por debajo de 0 ºC la disminución
de la actividad de agua es mucho
más drástica. Los alimentos que se
someten a congelación van a tener
la misma actividad de agua
indiferentemente de la composición
del alimento. Hay algunos alimentos
en los que la actividad de agua es
tan baja que no varia al congelarlos
porque no puede bajar más
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Importancia de la Actividad de Agua
Brenann, Butters, Cowell y Lilley (1998)El agua juega un papel importante en laestabilidad de los alimentos Frescos,congelados y desecados; actúa comodisolvente en las reacciones químicas,enzimáticos y microbiológicas.
Lewis (1993)Es una unidad de medida de ladisponibilidad del agua para participar entales reacciones (Lewis,1993)
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Métodos Para Determinar la
Actividad de Agua (aw)
1.- Manómetro en cámara cerrada: Seespera un tiempo de equilibrio y se mide lapresión con el manómetro.
2.- Higrómetro: Mediante el mismoprocedimiento anterior pero en lugar demedir la presión mediremos la HRE.
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3.- Método gravimetrito:
Se basa en la utilización desales de referencia y mide lahumedad cuando se encuentranencerrados en una cámara.Sabemos por ejemplo:
El MgCl2 en una cámara tieneuna humedad relativa de 0.328
El NaCl de 0.75, Pasamos elalimento que perderá agua.
Muestra
Analizada
Solución
Saturada
Campana
Desecadora
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Isotermas de Sorción
Definición: Las isotermas de Sorcion expresan la cantidad de agua de un alimento en función de la humedad relativa de la atmósfera que lo rodea. Gráfica 1.
10
Contenido en agua
del alimento. Kg
agua/Kg de mat
seca.
aw
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Isoterma de Sorcion
Fennema (1997) son representaciones queinterrelacionan el contenido de agua(expresado en masa de agua por unidad demasa de materia seca) de un alimento con suAw a temperatura constante.
la información que puede derivarse de dicharepresentación es útil en los procesos deconcentración y deshidratación, porque lafacilidad o dificultad para eliminar el agua estarelacionada con la actividad de agua , y paraevaluar su estabilidad en los alimentos.
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Isoterma de Sorcion
Es la representación grafica o analítica
de valores de Aw en función al
contenido de humedad, representada
por una curva sigmoidea y estas pueden
ser predecidas en base a ecuaciones
teóricas.
En función al contenido de humedad o
de equilibrio puede obtenerse de 2 vías
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1.- Isoterma de adsorcion.-
Se da cuando se somete
un alimento seco a
cámaras (desecadores)
en las cuales el producto
gana humedad.(se mide
el peso ganado)Alimento
Seco
Cámara con solución
Saturada donde la ºT es Kte.
Alimento Seco +
Agua Ganada del
Medio
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2.- Isoterma de
desorcion.- Se cuando
se somete un alimento
fresco a cámaras
(desecadores) en las
cuales el producto
pierde humedad (me
mide la disminución de
peso)
Alimento
Seco
Cámara con solución
Saturada donde la ºT es Kte.
Alimento Fresco -
Agua perdida hacia
el Medio
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Grafica de Isoterma de
Adsorcion y Desorcion
aw
0.2 0.6 10
Contenido en agua del
alimento. Kg agua/Kg de
mat seca.
0.8
Adsorcion
Desorcion
El grafico presenta la forma sigmoidea se puede apreciar la
ganancia y perdida de agua.
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Factores que influyen en las
isotermas
Son dependientes de la temperatura.Sabremos el contenido en humedad delalimento en función de la humedad relativa yla temperatura a la que lo almacenemos. A lamisma humedad relativa cuanto mayor es latemperatura menor será el contenido enagua. Y con contenidos en agua iguales, amayor temperatura, mayor actividad deagua.
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La composición del alimentostambién influye (grasa, sales etc)también la estructura del alimento.La sal por ejemplo interacciona conel agua lo que modificara laactividad de agua.
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Fenómeno de Histéresis
Cuando se trazan las isotermas de adsorción
y desorción y no hay superposición
hablamos de un fenómeno de histéresis. se
suele desplazar hacia la derecha la de
adsorción. Es decir, para una misma
humedad relativa el contenido de agua será
mayor en la desorción. Cuesta mucha más
humedad el conseguir el mismo contenido
en agua en un alimento al volverlo a hidratar
tras la deshidratación.
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Esto ocurre debido a que los puntos
a donde se unía el agua se han roto
al deshidratar con lo que al agua le
cuesta más volver a entrar. El que
ocurra o no este fenómeno
dependerá de diversos factores.
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Modelos Matemáticos de
GAT y BET
Se han realizado numerosos intentos de
representar las isotermas de sorcion por
medio de expresiones matemáticas. La
primera y la mas frecuente es la
expresión conocida como Isoterma de
BET – Modelo Brumauer, Emmett y
Teller (1939)
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Isoterma de BET
Esta es útil para
estimar el Valor de la
monocapa , que es
equivalente a la
cantidad de agua
ligada incorporada a
los sitios específicos:
Agua de la Monocapa
Sitio Especifico
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Ecuación de BET
Aw = 1 + (C-1) Aw
(1 – Aw) X Xm.C Xm.C
Esta teoría cinética goza de gran difusión enel campo de alimentos . Los autores suponenque el agua se absorbe en forma de capas :la primera se fija por adsorcion sobre lospuntos específicos y los siguientes se fijanentre si a la primera mediante puentes dehidrogeno; el diámetro de los capilares limitanel numero de capas adsorbidas
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Linearizando esta expresión
Aw
0.20.6 10
0.8
Aw
(1 - Aw)X
Tag α = C - 1
Xm.C
α
Donde:
X = Contenido de Humedad del Producto en b.s
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Xm = Contenido de humedad en la capa
monomolecular de agua adsorbida (g/100 g
de materia seca)
C = Parámetro relacionado con el valor de la
adsorcion de agua retenida.
Debido a que la hipótesis de este modelo
teórico no se cumple enteramente para
muchos materiales. Su aplicabilidad se
restringe a valores de Aw entre 0.05 y 0.40
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Se menciona muchas modificaciones paraisoterma de BET una de las propuestasmejores es que el radio de los capilaresdefine el numero limite de capas de aguaque pueden formarse sobre el capilar.
(n+1)
Xm.C.Aw ) 1 - (n+1)Aw + n.Aw
x = + (n+1)
1 – Aw 1 + (C+1)Aw –C.Aw
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Isoterma de BET
según Los Valores del parámetro C la
forma de isoterma es distinta ; esta
dependerá de C, puesto que este
parámetro aparece en el segundo tipo
de Isoterma que solo los valores
positivos de p/po tienen sentido Físico y
aparecerá el punto de Inflexión cuando C>2
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Importancia de las Isotermas de
Sorcion
El conocimiento de las características deSorcion de un alimento facilita lapredicción de su vida útil. Muchas casos,la riqueza en agua que permite unaestabilidad máxima se corresponde conel valor de la monocapa.
Este dato permite también predecir lostiempos de secado para el proceso deeste tipo.
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Valores de Agua de la Monocapa
Karel (1975)
- Gelatina 11%
- Almidón 11%
- Lactosa 6%
- Leche entera desecada por atomización 3%
ha dado también un ejemplo de cómo
calculan estos valores
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Utilidades de las Isotermas de
Sorcion
Si vamos a deshidratar un alimentolas necesitaremos para ello y para suposterior almacenamiento
Ejemplo: Si almacenamos a 0.5 dehumedad relativa tendremos unacantidad de agua mucho menor que silo hacemos a 0.8 por ejemplo.
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Vida Útil de los alimentos (empacado dealimentos)
Ejemplo: la absorcion de la humedad por losSnacks (papas fritas) es función del tipo dematerial de envase y sus características depermeabilidad.
Espinoza (1998) menciona que para laindustria de las papas chips considera elproducto con humedad a 3.5% inaceptable. Elvalor de la actividad de agua (Aw) critica parael rechazo de la papa es de 0.4
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Condiciones de equilibrio antes de
mezclar productos con varias actividades
de agua
Ejemplo: En la Industria de embutidos
nos interesa la concentración de solutos
del producto, la actividad de agua de cada
uno de sus ingredientes nos permitira
predecir el tiempo de vida util.
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Isoterma de GAB
La ecuación de Guggenhein – Anderson –
De Boer, concida por el acronimo de GAB
fue propuesta para los materiales por Van
den Bong(1981)
Esta ecuación de Isoterma para la
adsorcion de multicapas fue propuesta
para fijar el dato de sorcion sobre un rango
mayor que el usado por BET
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Esta expresión es aplicable hasta una
Aw de 0.9
En los últimos años la ecuación de GAB
es la que a ganado mas popularidad la
misma que es recomendada por varios
autores para la determinación de
propiedades fisicas de los alimentos.
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Ecuación de GAT
Las 3 constantes de la ecuación de GAB secalculan a partir de una ecuacióntransformada de GAB; que tiende a unaparábola y permite un fácil calculo:
X = C`K`Aw
Xm (1-K`Aw)(1-K`Aw+CK`Aw)
Donde:
X = % del agua contenida en base seca
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Xm = % del contenido de aguacorrespondiente a la saturación de todoslos lugares por moléculas de agua(formalmente llamada monocapa en la teoríade BET)
Aw = Actividad de agua
C‘ = Constante de Guggenheim
K‘ = Es un factor de correccion de laspropiedades de las moleculas de multicapacon respecto al liquido.
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Isoterma de GAT
Bizot (1983) Transformo la ecuacion
anterior a ana ecuacion cuadratica:
Aw = α Aw2 + ß Aw + Ґ
X
Siendo :
α = K‘ ( 1 - 1)
Xm C'
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ß = 1 ( 1 - 1)
Xm C'
Ґ = 1
XmC‘K'
Como se Observa para poder hallar losparametros de α, ß y Ґ
se tiene que realizar un analisis de regresionno lineal simple, teniendose que hacer usode la estadistica .
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Con el fin de facilitar el calculo de los
mencionados parámetros también se
pueden determinar por métodos
numéricos (método de mínimos
cuadrados), cuya solución es la
siguiente:
n Ґ + ß ( ∑ Aw ) + α ( ∑ Aw2 ) = ∑ ( Aw )
X
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Ґ ∑Aw )+ß( ∑Aw2 )+α( ∑Aw3 )= ∑( Aw x Aw )
X
Ґ ∑Aw2)+ß( ∑Aw3 )+α( ∑Aw4 )= ∑( Aw x Aw2 )
X
Donde: n = numero de soluciones saturadas
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Hallados los valores de α, ß y Ґ se
resuelven el sistema de ecuaciones,
para hallar el valor de la monocapa:
Xm = ( 1 )1/2
ß-4αҐ
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Estudio de Otras Isotermas de
Sorcion
Iglesias y Chirife (1982) evaluaron valores dela monocapa para una amplia variedad dealimentos a partir de datos experimentalesde las cuales citan nueve de talesecuaciones y emplean técnicas de ajustepara elegir cual de las ecuacionesproporcionan el mejor ajuste a los datosexperimentales . Por ejemplo parachampiñones la isoterma de absorción a20ªc viene dado por:
M= 8.3477 aw + 2.2506
1-aw
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Importancia Tecnológica En la
Industria de Alimentos
Nos permite Transformar lahumedad del alimento en suactividad de agua (Aw)
Se determina el valor de lamonocapa, siendo el valor quecubre los sitios activos de unalimento y da estabilidad a losalimentos.
Nos permite conocer Fenómenosdurante y después deldeshidratado, permite indicar unbuen diseño del deshidratador.
Humedad del
alimento en Aw
Valor de H2O
Monomolecular,
Estabilidad del
Alimento
Fenómenos en
el Secado de
alimentos,
Diseño de
Secadores
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Previene el tiempo de almacenamiento para dar
condiciones de HR, Temperatura, y ver su
comportamiento.
Permite conocer la Higroscopicidad del alimento
El proceso de rehidratación se puede ver
después del deshidratado
Selección y determinación del material de
empaque.
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En base a los resultados de las isotermas de
sorcion se obtienen expresiones que permiten
calcular los calores integrales y diferenciales de
Sorcion (además de las respectivas entropías)
de diversos cereales y su dependencia con el
contenido de humedad
Entropía es una propiedad termofísica de los
alimentos para cálculos de transferencia de
calor
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Se puede realizar cálculos de
simulación en secado de alimentos a
diferentes condiciones de humedad
Trabajos Publicados : Investigación
del efecto de la temperatura sobre el
rendimiento y calidad de almidón de
maíz obtenido por molienda húmeda
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