Cuarta edicinSalvador Badui DergalQumica de los alimentosCuarta edicinQumica de los alimentosCuarta edicinSalvador Badui DergalDirector Tcnico Grupo Herdez, S.A. de C.V.Con la colaboracin de:Captulo 1 Dr. Salvador Badui Dergal Grupo Herdez, S.A. de C.V. Captulo 2 Dra. SaraEsther 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 Departamentode Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de MxicoDr. 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 7Dra. Isabel Guerrero Legarreta Departamento de Biotecnologa Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa Dra. Elosa Lpez Hernndez Divisin Acadmica de CienciasAgropecuarias Universidad Jurez Autnoma de Tabasco Dr. Roberto E. Armenta Lpez FoodTechnology Centre Charlottetown, Prince Edward Island, Canad Captulo 8 Dra. EdithPonce 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 QumicaUniversidad 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 MxicoREVISIN TCNICA: Hctor Cejudo Gmez Coordinador de la licenciatura en Ingeniera de Alimentos Departamento de Ingeniera y Ciencias Qumicas Universidad Iberoamericana, campus Ciudad de MxicoDatos 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: 736Editor: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 desus representantes. ISBN 970-26-0670-5 Impreso en Mxico. Printed in Mexico. 1 2 34 5 6 7 8 9 0 09 08 07 06ContenidoCaptulo 1 Agua 11.1 Introduccin 1 1.2 Fuentes de agua para el ser humano 2 1.3 Propiedades del agua 31.3.1 Propiedades fisicoqumicas 61.4 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 27Captulo 2Hidratos de carbono292.1 Introduccin 29 2.2 Clasificacin y nomenclatura 30 2.3 Monosacridos 312.3.1 Distribucin en la naturaleza 32 2.3.2 Estructura qumica 342.4 2.5 2.6 2.7 2.8Aminoazcares 37 Desoxiazcares 39 Azcares-alcoholes o polioles 40 Glucsidos 41 Oligosacridos 472.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 Sacarosa 48 Maltosa 52 Lactosa 53 Otros oligosacridos 532.9 Reacciones qumicas de los monosacridos 562.9.1 Por lcalis 56 2.9.2 Por cidos 57 2.9.3 Por altas temperaturas 57vvi Contenido2.9.4 Otras reacciones 58 2.9.5 Reacciones de oscurecimiento o de empardeamiento592.10 Tecnologa de los azcares 722.10.1 2.10.2 2.10.3 2.10.4 2.11.1 2.11.2 2.11.3 2.11.4 2.11.5 2.11.6 2.11.7 2.11.8 Conservacin 72 Cristalizacin 72 Hidratacin 73 Poder edulcorante 73 Celulosa 78Hemicelulosa 80 Almidn 81 Pectinas 92 Glucgeno 97 Gomas 97 Fructosanas 106 Otros polisacridos 1062.11 Polisacridos 752.12 Fibra 107 Referencias bibliogrficas 109Captulo 3Protenas1193.1 Introduccin 119 3.2 Aminocidos 1213.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Del gen a la protena 124 Esteroqumica de los a-Aminocidos 127 Clasificacin de los aminocidos 128 Reactividad qumica 129 Propiedades cidobase 1303.3 Pptidos y enlace peptdico 1323.3.1 Estabilidad y formacin del enlace peptdico 1353.4 Deteccin y cuantificacin de aminocidos pptidos y protenas 1383.4.1 Reacciones qumicas de los grupos funcionales de las protenas 1423.5 Organizacin estructural 1533.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5 3.6.6 3.6.7 3.6.8 3.6.9 Estabilidad de la estructura protenica 153 Estructura primaria 154 Estructurasecundaria 155 Estructura terciaria 161 Estructura cuaternaria 163 Termodinmicade la desnaturalizacin 165 Desnaturalizacin por cambios de temperatura 167 Desnaturalizacin por cambios de pH 170 Desnaturalizacin por urea y cloruro de guanidinio170 Desnaturalizacin con detergentes 171 Desnaturalizacin con disolventes orgnicos172 Efecto de la adicin de sales en la solubilidad de las protenas 173 Inactivacinmecnica 176 Protelisis 1763.6 Desnaturalizacin 164Contenido vii3.7 Modificaciones qumicas 1763.7.1 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 3.7.7Reacciones con sulfitos 184 3.7.8 Reacciones carbonil amino 184 3.7.9 Formacin deacrilamida en altas temperaturas 185 3.7.10 Prdida de aminocidos por fraccionamiento (fraccionacin) 1863.8 Propiedades funcionales de las protenas 1873.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 3.8.5 Propiedades de hidratacin 190 Propiedades interfaciales de las protenas 194 Unin de sabores 201 Viscosidad 202 Gelacin 2033.9 Propiedades nutricionales 2053.9.1 Evaluacin de la calidad protenica 2063.10 Protenas de algunos alimentos 2093.10.1 Protenas del huevo 210 3.10.2 Protenas de la carne 213 3.10.3 Gelatina 2173.10.4 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 235Referencias bibliogrficas 236Captulo 4Lpidos2454.1 Introduccin 245 4.2 Clasificacin 2464.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 cidos grasos 248 Acilglicridos 253 Fosfoglicridos 258Ceras 260 Esteroles 2604.3 Anlisis fsicos y qumicos 2624.3.1 ndices 262 4.3.2 Otros anlisis 2624.4 Manufactura de grasas y aceites 2654.4.1 Desgomado 267 4.4.2 Neutralizacin 267viii Contenido4.4.3 Decoloracin 268 4.4.4 Desodorizacin 268 4.4.5 Hibernacin 2694.5 Procesos de modificacin de grasas y aceites 2694.5.1 Hidrogenacin 269 4.5.2 Interesterificacin 274 4.5.3 Fraccionamiento 2764.6 Sistemas grasos en alimentos 2774.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.6.7 4.6.8 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.8.4 4.8.5 4.8.6 4.8.7 Margarina 277 Mantecas vegetales 279 Mantequilla 279 Grasas para alimentos infantiles 279 Helados 279 Mayonesa y aderezos 280 Sustitutos de la manteca de cacao 281 Fredo 281 Liplisis 283 Autoxidacin 283Reversin 288 Radilisis 289 Antioxidantes 289 Evaluacin sensorial 293 ndice de perxido294 Mtodo del cido tiobarbitrico (TBA) 294 Mtodo del oxgeno activo (AOM, Active Oxygen Method) 294 Mtodo de la bomba de oxgeno 295 Mtodo de incubacin en estufa 295 Otros mtodos 2954.7 Deterioro de los lpidos 2824.8 Determinacin de la oxidacin 2934.9 Aspectos nutricionales 295 Referencias bibliogrficas 297Captulo 55.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6Enzimas301Introduccin 301 Nomenclatura 303 Las enzimas como catalizadores 304 Especificidad306 Sitio activo 308 Factores que afectan la velocidad de las reacciones enzimticas 3105.6.1 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 Efectode otros agentes en la actividad enzimtica 3155.7 Cintica de las reacciones enzimticas 316Contenido ix5.8 Cuantificacin de actividad enzimtica 319 5.9 Uso industrial de las enzimas 3205.10 Revisin de enzimas de importancia en alimentos 3235.10.1 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 351Procesos de inters en alimentos con enzimas o clulas inmovilizadas 353 Anlisis qumico con enzimas 355 Las enzimas como indicadores de calidad de alimentos 357 Tecnologa de ADN recombinante aplicada a la produccin y modificacin de enzimas de intersen alimentos 357 Referencias bibliogrficas 3615.11 5.12 5.13 5.14Captulo 6Vitaminas y nutrimentos inorgnicos3636.1 Introduccin 363 6.2 Contenido de vitaminas en los alimentos 366 6.3 Vitaminasliposolubles 3686.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8 6.4.9 Vitamina A Vitamina D Vitamina E Vitamina K 370 372 373 3756.4 Vitaminas hidrosolubles 376Tiamina (B1) 377 Riboflavina (B2) 379 Vitamina B6 381 Vitamina B12 382 Biotina 384 Folatos 385 Niacina 386 cido pantotnico 387 Vitamina C 3876.5 Resumen de la estabilidad de las vitaminas 391 6.6 Nutrimentos inorgnicos 3956.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 Calcio 396 Fsforo 397 Hierro 397 Otros elementos 398Referencias bibliogrficas 398Captulo 7Pigmentos4017.1 Introduccin 401 7.2 Pigmentos sintticos y naturales 402x Contenido 7.3 Carotenoides 4067.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 Estructura y caractersticas qumicas 407 Carotenoides en alimentos 407 Obtencin 410 Estabilidad 411 Usos 412 Carotenoides en lasalud humana 4127.4 Clorofilas 4137.4.1 Estructura 414 7.4.2 Efecto del procesamiento 4157.5 Pigmentos fenlicos 4177.5.1 Flavonoides 417 7.5.2 Antocianinas 420 7.5.3 Taninos 4277.6 Betalainas 4297.6.1 Estructura 430 7.6.2 Estabilidad 4317.7 Hemopigmentos 4327.7.1 Estructura 433 7.7.2 Color en carne fresca 434 7.7.3 Color de carne curada4367.8 Otros pigmentos naturales 4367.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.4 7.8.5 7.8.6 Crcuma 436 cido carmnico 436 Quinonas 436 Xantonas 437 Color caramelo 438 Gluconato ferroso 4387.9 Anlisis de pigmentos y de color 438 Referencias bibliogrficas 439Captulo 8Aroma y sabor4458.1 Introduccin 445 8.2 Sabor 4468.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 Sabor dulce 448 Sabor amargo 452 Sabor salado 452 Sabor cido 453 Umami 453 Fenmenos de percepcin asociados con los sabores bsicos 4538.3 Aromas 454 8.4 Aspectos fisicoqumicos en la percepcin del sabor y del aroma 4578.4.1 Proceso de masticacin 457 8.4.2 Efecto de macromolculas en la percepcin del sabor 459Contenido xi8.5 Mecanismos de la generacin de aromas y sabores 4618.5.1 Biosntesis 463 8.5.2 Generacin de aromas por el efecto de tratamiento trmico4808.6 Precursores y desarrollo de aroma y sabor en alimentos 4938.6.1 Carne y productos crnicos 493 8.6.2 Leche y productos lcteos 494 8.6.3 Bebidas alcohlicas 4958.7 Anlisis de compuestos de aroma y sabor 4968.7.1 Extraccin de compuestos del aroma y sabor 498 8.7.2 Identificacin de compuestos del aroma y sabor 499Referencias bibliogrficas 503Captulo 9Aditivos5079.1 Introduccin 507 9.2 Aspectos legales 509 9.3 Conservadores 5109.3.1 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 9.3.6Sulfitos 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 5189.4 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 masticar540 9.17 Humectantes 540 9.18 Sustitutos de grasas 540 9.19 Nutrimentos 541 9.20Saborizantes, saboreadores o aromatizantes 542 9.21 Otros aditivos 543 Referencias bibliogrficas 543xii ContenidoCaptulo 10 Estado de dispersin10.1 10.2 10.3 10.4 Introduccin 547 Clasificacin de los coloides 549 Estabilidad de los coloides 552 Soles 55354710.4.1 Propiedades reolgicas de los soles 55410.5 Geles 556 10.6 Espumas 558 10.7 Emulsiones 560 Referencias bibliogrficas 563Captulo 11 Txicos presentes en los alimentos11.1 Introduccin 565 11.2 Leguminosas 56611.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.2.6 Glucsidos cianognicos 567 Promotores deflatulencia 568 Inhibidores de proteasas como la tripsina 568 Fitohemaglutininas570 Saponinas 570 Favismo 570 57156511.3 Cereales 57111.3.1 Toxinas producidas por hongos (micotoxinas) 11.3.2 cido ftico 57711.4 Inhibidores de amilasas 578 11.5 Bebidas estimulantes 578 11.6 Pptidos, protenas y aminocidos txicos 57911.6.1 11.6.2 11.6.3 11.6.4 11.6.5 11.6.6 11.6.7 Amatoxina y falotoxina 579 Islanditoxina 580 Toxina botulnica 581 Toxinas de Staphilococcus sp. 581 Selenoaminocidos 581 Canavanina 582 Mimosina 58211.7 11.8 11.9 11.10 11.11Gosipol 583 Capsaicina 583 Solanina y chaconina 583 Sustancias promotoras de bocio 584 Toxinas en mariscos y peces 58611.11.1 Saxitoxina 586 11.11.2 Tetradoxina 58611.12 Antivitaminas 587 11.13 Txicos presentes en la miel de abeja 588 11.14 Compuestos txicos generados por proceso 59011.14.1 Compuestos producidos por altas temperaturas 591Contenido xiii11.15 Racemizacin de aminocidos y formacin de isopptidos 596 11.16 Formacin de aminasbigenas 597 11.17 Fumigantes y disolventes 597 11.18 Comentarios 598 Referenciasbibliogrficas 598Captulo 12 Leche60312.1 Introduccin 603 12.2 Composicin de la leche 60412.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.6 Lpidos 605 Lactosa 608 Protenas 609 Enzimas 615 Vitaminas 616 Sales y nutrimentos inorgnicos 61712.3 Propiedades fsicas de la leche 617 12.4 Estado de dispersin de la leche 61812.4.1 Fase miscelar 619 12.4.2 Fase lipdica 62012.5 Productos lcteos 62112.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4 Leche pasteurizada, ultrapasteurizada y esterilizada621 Quesos 626 Yogurt 628 Otros productos lcteos 628Referencias bibliogrficas 629Captulo 13 Soya63313.1 Introduccin 633 13.2 Protenas de la soya 635 13.3 Formas comerciales de la soya 63713.3.1 Harinas 638 13.3.2 Concentrados 640 13.3.3 Aislados 64213.4 Propiedades funcionales 64413.4.1 Modificaciones de las protenas 64613.5 Factores antifisiolgicos 646 13.6 Soya y nutricin 647 13.7 Mejora gentica de la soya 648 Referencias bibliogrficas 649Captulo 14 Alimentos transgnicos65114.1 Ingeniera gentica y alimentos 651 14.2 Principales mtodos para la transferencia de genes 657xiv Contenido 14.3 Modificaciones genticas ms utilizadas para la produccin de alimentos 65914.3.1 Caracteres de inters ms utilizados 65914.4 FlavrSavr el primer alimento GM 662 14.5 Los OGMs comerciales para alimentacin 66314.5.1 Granos a granel 663 14.5.2 Variedades comerciales de menor volumen y movimiento 66514.6 Microorganismos GM para la produccin de enzimas auxiliares de proceso 666 14.7 OGMs de segunda generacin 66814.7.1 Plantas que producen aceites modificados 671 14.7.2 Papas GM 67614.8 OGMs de tercera generacin 679 14.9 Animales domsticos GM 68214.9.1 Peces 682 14.9.2 Ganado y aves de corral 68314.10 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 688Anexo I ndice693 703IntroduccinDesde 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 alimentos fue reconocida muy recientemente, y apenashace unos 20 aos se manifiesta en todo el mundo una verdadera preocupacin por laimplantacin de nuevas metodologas para la produccin, el procesamiento 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 caracterstica comn a todos ellos es su conocimiento de la qumica de los alimentos, que est de alguna manera relacionada con todos los productosque ingerimos. Los orgenes de la qumica de los alimentos se pierden en la historia de la humanidad. No se podra 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 fuego y el humo, el aceite y el vinagre, la fermentacin, la sal, la cera y la miel eran utilizados porestos pueblos para la preparacin y la conservacin de sus alimentos, y su uso fuetransmitido de generacin en generacin hasta llegar a nuestros das. Aunque es probable que muchos de esos procesos hayan sido descubiertos por casualidad, o bien atravs de continuas pruebas de ensayo y error, el hecho es que cada civilizacin hacontribuido en algo al desarrollo de nuestra actual tecnologa alimentaria. Muchoms recientemente, en el siglo XIX, se produjo una serie de cambios cientficos muyimportantes: la qumica se consolid como ciencia y se hicieron distinciones entre los materiales inorgnicos 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 descubrimiento de las rutas metablicas utilizadas por las clulas, tanto de animales como de vegetales, ha hecho quecon 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 extraordinariamente 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 ciertos aspectos de las protenas, de los hidratos de carbono, de los lpidos, o de los sabores de los alimentos. 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. xvPrlogoDesde 1993, ao de la edicin anterior del presente libro, han tenido lugar numerosos avances, tanto tcnicos como cientficos, en los distintos aspectos que se cubrenen 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 desarroll 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 identificaron y aislaron nuevos componentes de los distintos productosde origen vegetal y animal; algunos estudios sobre toxicidad se revocaron y fueron reemplazados por otros efectuados con procedimientos ms confiables; la ingeniera gentica se consolid y se establecieron formas novedosas de producir y modificarla 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 formas de preparar y consumir los alimentos, aunado a un mayor entendimiento y exigencia del consumidor 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 tema que los que se tenan hace tan slo un poco ms de una dcada; e igual sucede conreas 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 postuladosde 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 estructura 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 integrando los distintosalimentos. Se mantienen las secciones dedicadas al estudio de la leche y de lasoya, como ejemplos de aplicacin de los conceptos explicados en otros captulos. Como una aportacin muy valiosa, y complementaria, se incluye un captulo dedicado altema de la toxicologa de los compuestos inherentes a los alimentos, y los que segeneran durante su procesamiento; as como otro relacionado con los alimentos transgnicos y la ingeniera gentica aplicada 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 laqumica tradicional de los mismos. xviixviii Prlogo En la actualizacin de esta nueva edicin participan prestigiosos investigadores-profesores de reconocidas instituciones de educacin de nuestro pas, sin cuyo esfuerzo no hubiera sido posible la integracin de este nuevo texto. Se han conservado varios cuadros y figuras, pero otros ms novedosos se han incluido con elfin de facilitar la lectura y la comprensin del texto. En lo que se refiere a labibliografa, se mantiene aquella que es vlida hasta el da de hoy, pero tambin se incluye toda la que se emple para actualizar esta obra. Consideramos que el presente libro, diseado para emplearse en las distintas licenciaturas relacionadas con la tecnologa de los alimentos, contribuir al mejor entendimiento de los aspectos que integran la qumica de los alimentos. Salvador Badui DergalCaptuloSalvador Badui Dergal1Agua1.1 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 deadsorcin y de desorcin 1.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 1.10Alimentos de humedad intermedia 1.11 Congelamiento de los alimentos 1.12 El aguaen la industria alimentaria Referencias bibliogrficas1.1INTRODUCCINEn 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 detodas las clulas activas: desde una sencilla bacteria hasta el complejo sistema del organismo del hombre. Esto es tan cierto que existen teoras que consideran quela vida en nuestro planeta se origin gracias a la presencia de este compuesto que permanece lquido en un intervalo de temperatura relativamente amplio. Tiene ungran nmero de funciones biolgicas basadas en su capacidad fsica para transportar sustancias, disolver otras y mantenerlas tanto en solucin como en suspensin coloidaly tambin en su reactividad qumica, al intervenir en la fotosntesis y en muchas reacciones 12 Agua enzimticas de hidrlisis; es decir, participa activamente en la sntesis de hidratos de carbono a partir de CO2, fundamental en la vida de este planeta, y enla conversin de diversos materiales complejos (polisacridos, protenas, grasas, etctera) a formas ms sencillas y asimilables para las plantas y los animales.2 Muchasde las macromolculas de inters biolgico, como las enzimas y los cidos nucleicos, sevuelven activas slo cuando adquieren sus correspondientes estructuras secundaria,terciaria, etctera, 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 contenidode agua es fundamental. Es, por mucho, el principal constituyente de todos los tejidos vivos, ya que representa generalmente al menos el 60% de su composicin. Enlos 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 deshidratados que en apariencia son totalmente secos, contienen un 10-12% de ella y slo enla sal comn y en el azcar de mesa no existe. El agua influye en las propiedades delos 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, lquido, 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 manejary 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 yenzimticas 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 (actividaddel agua) para evitar su crecimiento, con procesos como concentracin, deshidratacin, congelamiento, liofilizacin, salado y azucarado (estos dos ltimos por aumentode la presin osmtica).1.2FUENTES DE AGUA PARA EL SER HUMANOEntre el 60 y 70% del cuerpo humano es agua, aun cuando hay ciertos tejidos comohuesos, cabellos y dientes que la contienen escasamente. Es un disolvente lquidoinerte, de pH neutro, que sirve de transporte en la sangre y la linfa, y que regula la temperatura corporal; el organismo la pierde continuamente 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 adecuadamente 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 alimentos, como los vegetales abundantes en agua, laleche, 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 (cuadro1.2).1.3 Propiedades del agua 3CUADRO 1.1 Balance de agua en el ser humanoAgua ingerida (mLl/da) Fuente Agua perdida (mL/da) Medio850 1,300 350Alimentos Bebidas Oxidacin de nutrimentos1,400 400 500 200 2,500Orina Pulmones Piel Heces2,500CUADRO 1.2 Contenido aproximado de agua de algunos alimentos (%) Lechuga, esprrago, coliflor Brcoli, zanahoria Manzana, durazno, naranja Leche Papa, pera Huevo, pollo Carne de res Carne de cerdo, helado Pan Queso Mantequilla Galletas Chocolate 95 90 88 87 80 74 70 60 40 45 16 5 2Otra fuente, de menor importancia, se origina en el propio cuerpo debido a reacciones metablicas: 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 obtienen 1.1 g y 0.4 g de agua por gramo de lpido y de protena, respectivamente; una dieta cuya oxidacin de glucosa y lpidos produzca 2,000kcal por da, generar 300 mL de agua, aproximadamente.1.3PROPIEDADES DEL AGUASu molcula est constituida por dos tomos de hidrgeno unidos en forma covalente a unode oxgeno, es altamente polar, no es lineal y crea estructuras tridimensionalesdebido a la hibridacin de las rbitas moleculares s y p del oxgeno; las 1s del hidrgeno comparten dos electrones con las h-4 Agua bridas sp3 del oxgeno. A su vez, este elemento tiene un par de electroneslibres considerados como dos fuerzas separadas, que junto con los dos enlaces covalentes, establece una molcula con una forma imaginaria de tetraedro (figura 1.1).()()() HH(+) () HO 104.5 H (+)(+) (a)(+) (b)(+)H0.12 nm0.33 nm104.5 0.14 nm O0.09 6 nm2()(+) (c)ireccin el momento ipolarFigura 1.1 Representacin esquemtica e la molcula e agua: (a) y (b) estructura tetra rica imaginaria forma a por las rbitas sp3 el oxgeno, y (c) imensiones e la molcula e agua.111.3 Propie a es el agua 5Me iante iversos estu ios e espectroscopia, rayos X, resonancia magntica nuclear, ifraccin, infrarrojo, ra iactivi a , etctera, se han etermina o las imensiones, as como algunas caractersticas e la molcula el agua. Por ejemplo, en la figura 1.1 se observa que los ra ios e Van er Waals el hi rgeno y el oxgeno son e0.12 nm (1.2 ) y 0.14 nm, respectivamente; que la longitu el enlace covalente es e 0.096 nm y que el ngulo forma o es e 104.5. En el agua existe una iferenciae electronegativi a es que se ebe precisamente a que el oxgeno tiene un gran po er e atraccin por los electrones e los os hi rgenos, lo que ocasiona que stosesarrollen una carga parcial positiva ( ) temporal, y que el tomo e oxgeno esarrolle una carga parcial oble negativa 2 ( ) temporal; esto hace que se pro uzca un momento ipolar muy fuerte, cuya ireccin se observa en la figura 1.1. Esecir, esta molcula no tiene una carga etermina a, pero s un ipolo elctrico potente que le permite crear puentes e hi rgeno estables con otras molculas iguales oiferentes, pero e naturaleza polar. El momento ipolar que se establece, se observa como una orientacin e la molcula en un campo elctrico con la parte negativa hacia el no o y la positiva hacia el cto o. El puente e hi rgeno no es un enlace qumico propiamente, sino una atraccin electrosttica que se pro uce cuan o os tomos negativos e compuestos polares se unen me iante uno e hi rgeno, e tal manera quesolamente participan los elementos ms electronegativos, como nitrgeno, flor y oxgeno (figura 1.2). Esta atraccin electrosttica es muy bil (20 kJ/mol o 4.7 kcal/mol),compara a con el enlace covalente (400 kJ/mol o 95 kcal/mol), y su vi a me ia es e 10 11 segun os; sin embargo, como to as las molculas e agua tienen la capaci a e establecerla en un etermina o momento, en conjunto representan una granfuerza. Tanto el nmero e estas uniones como la longitu el puente e hi rgeno entre molculas vecinas (p. ej. 0.276 nm o 2.76 , en la figura 1.2a) se ve afecta opor la temperatura; esto se refleja, por ejemplo, en la ensi a el agua que seincrementa a me i a que interaccionan ms molculas a una menor istancia, y alcanza un mximo a 3.98C.H O H O H(1)H Molculae aguaH HO0.276 nmH OPuentes e hi rgeno(4)H O H H(3) O0. 17 H nm 7 H O (2)H H (b) (c)(a)Figura 1.2 Puentes e hi rgeno entre molculas e agua: (a) las molculas 1, 2 y la central se hallan en el plano el papel;la 3 se encuentra por encima e l, y la 4 etrs el plano;27 (b) interaccin e molculas e agua a travs e puentes e hi rgeno, y (c) los puentes e hi rgeno entre molculas e agua pro ucen una estructura imaginaria tetra rica con el oxgeno al centro.6 Agua Debi o a sus cargas parciales, la molcula e agua tiene os sitios receptores y os ona ores e electrones, por lo que su interaccin me iante puentes e hi rgeno crea gran es estructuras tri imensionales estables en el hielo y en el agua lqui a, responsables e sus propie a es fsicas tan peculiares que ms a elante semencionan. Las molculas como NH3, que no tienen igual nmero e receptores y e ona ores (1 y 3, respectivamente), slo forman estructuras bi imensionales y no triimensionales. Cabe sealar que los puentes e hi rgeno no slo se in ucen en el agua, sino en cualquier sustancia que tenga caractersticas polares, como son las protenas y los hi ratos e carbono, gracias a sus iversos grupos hi rfilos (figura 1.3). Me iante este mecanismo, los polmeros y algunos compuestos e bajo peso molecular retienen agua y le confieren a los alimentos propie a es reolgicas muy particulares. Las temperaturas bajas favorecen la formacin e puentes e hi rgeno, mientras que las altas los estruyen; se consi era que en el hielo, el 100% e las molculas establecen puentes e hi rgeno, y que en el vapor este porcentaje es cero.La funcin biolgica el hombre se efecta alre e or e los 37C, temperatura en la quese pro uce un 35-45% e los puentes e hi rgeno; por lo tanto, ebe existir alguna relacin entre la estructura el agua en estas con iciones y la facili a paraque se lleven a cabo las reacciones que sustentan la vi a.C O H O H HO H O H HS H O H HNH H O HC=O OH O H HFigura 1.3 Formacin e puentes e hi rgeno con iversos grupos funcionaleshi ratos e carbono, e las protenas y e los ci os grasos.e los1.3.1 Propie a es fisicoqumicasDebi o a la formacin e estructuras tri imensionales me iante puentes e hi rgeno,el agua muestra propie a es muy particulares que resaltan an ms al compararlas con hi ruros el mismo grupo e la tabla peri ica a la que pertenece el oxgeno. Porejemplo, H2O, H2S, H2Se y H2Te, tienen puntos e ebullicin e 100, 61, 42 y 2 (C),respectivamente; el agua, con el menor peso molecular, presenta valores e puntos e fusin y e ebullicin que no correspon en a la serie, y que son muy superiores a los el resto el grupo. Si se siguiera una relacin matemtica e acuer o con los pesos moleculares, el agua ten ra que fun ir a 150C y hervir a 80C, por lo que en las con iciones ambientales normales sera un gas. No lo es, precisamente por una fuerte cohesin interna ebi a a los puentes e hi rgeno; e los cuatro hi ruros,el el oxgeno es el nico que se encuentra en esta o lqui o a la temperatura en quese esarrolla la vi a (10-50C, aproxima amente) en nuestro planeta.1.3 Propie a es el agua 7El calor e vaporizacin, el calor especfico, su con uctivi a , sus propie a es ielctricas, etctera, son por mucho muy peculiares y muy istintas a las e molculas semejantes. Por ejemplo, su eleva o calor latente e vaporizacin (2,260 kJ/g o 539kcal/g), representa la energa necesaria para transformar un kilogramo e agua lqui a en vapor a 100C, y la que se requiere para romper las fuerzas atractivas, etal manera que las molculas in ivi ualmente pue an escapar y pasar a la fase gaseosa. A manera e comparacin y para enten er mejor este valor, cabe sealar que el metanol, el etanol, la acetona y el cloroformo (to os isolventes orgnicos comunes), presentan calores e vaporizacin inferiores: 263, 205, 125 y 59 kcal/g, respectivamente. El alto valor in ica que se necesita mucha energa para vaporizar un poco e agua (como en la eshi ratacin e alimentos), o que la vaporizacin e pequeascanti a es e ella es suficiente para sustraer mucho calor; esto explica por qula vaporizacin el su or es responsable e la mayor parte el calor per i o por un organismo. El proceso inverso al e la vaporacin, la con ensacin, es exotrmico ylibera una canti a semejante e calor, caracterstica que se aprovecha para calentar los alimentos en los procesos e esterilizacin e enlata os. Por otra parte,es necesario isipar 333.7 kJ/g o 79.7 kcal/g (calor latente e fusin), para cambiar el agua lqui a a hielo a 0C; esta propie a se hace patente cuan o se enfran las bebi as con hielo, ya que a me i a que este se fun e, sustrae mucha canti ae energa el lqui o. Como vapor, el agua sigue la ley e los gases i eales, PV = nRT (P, presin; V, volumen, n, nmero e molculas, R, constante y T, temperatura), que muestra la relacin e la presin y la temperatura; una aplicacin e este principioes con el enlata o e los alimentos no ci os, cuyo calentamiento externo causa que la presin interna se incremente y, en consecuencia, su temperatura alcance laesterilizacin comercial a 121C (250F). El alto calor especfico el agua (4.186 kJ/gKo 1 cal/gC a 20C) in ica la necesi a e aplicar mucha energa para incrementar su temperatura, ya que una buena proporcin se consume en vibrar la molcula ebi o a sugran momento ipolar y a romper los puentes e hi rgeno, pero no a calentarla. Cuan o se suministra energa trmica a los lqui os en los que no existen puentes e hirgeno, la cintica e las molculas aumenta fcilmente, y por tanto, la temperatura. Por esta razn, el agua es menos efectiva como me io e calentamiento que los aceites e cocina, que a ems e tener un calor especfico menor e 1.97 kJ/gK o 0.47 kcal/gC, pue en alcanzar temperaturas superiores a los 100C (necesarias para el fre o),que es la mxima que se alcanza con el agua lqui a a presin atmosfrica. Otra implicacin el alto valor e este parmetro se a en la regulacin e la temperatura el cuerpo humano, ya que provoca que el agua absorba el calor cuan o hay cambios bruscos externos, sin afectar la temperatura interna; en forma semejante, tambin haceque los mares y los ocanos acten como regula ores trmicos e nuestro planeta. Su gran ipolo es fun amental para calentar los alimentos en microon as (915-2,450 MHZ) ya que, al pro ucir una oscilacin y friccin permanente en las molculas, se in uce un aumento e la temperatura. La ionizacin el agua pura es mnima, pero influyeen la formacin el H3O+ causa a por la a icin e ci os, lo que a su vez repercute en la re uccin el pH e la solucin. Como isolvente, el agua tiene una infini ae aplicaciones en la naturaleza (existen isoluciones, como ocanos, mares, lagos,ros, etctera), al igual que en los alimentos, en el plasma sanguneo y en la orina,que esempean un papel vital para el cuerpo humano. Muchas sales y compuestos8 Agua inicos y no inicos, slo se solubilizan en agua y nunca en isolventes apolares (cloroformo, benceno, etctera) o en grasas. Los cristales e NaCl son establespor las fuertes atracciones electrostticas entre sus iones positivo y negativo;mientras ms intensa sea la unin, ms energa se requerir para la separacin. El agua es capaz e isolver los cristales ebi o a la intensa fuerza que se crea entre suipolo y los iones so io y cloro, lo que provoca la pro uccin e Na y Cl altamentehi rata os; icha interrelacin es mayor que la ten encia a la unin e los os iones para restablecer la sal. Esta hi ratacin epen e e la ensi a e carga, quees igual a la carga total ivi i a entre el ra io inico; para una misma carga, laretencin e agua es mayor en los iones pequeos que en los gran es; la hi ratacinel K es menor que la el Na , ya que el ra io el primero es mayor y, en consecuencia, su ensi a e carga es menor. El agua es un buen isolvente ebi o a sualta constante ielctrica, D, que por definicin es una medida de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas electrostticas de atraccin F entre iones con cargaopuesta: F e1 e2 Dr2donde e1 y e2 son los iones y r es la distancia entre ellos. El valor D para elagua es muy alto (80 a 20C), comparado con el de otros disolventes: metanol, 33;etanol, 24; acetona, 21; benceno, 2; e indica que la fuerza de atraccin entre Nay Cl es solamente de 1/40 de la que existe con el benceno; por lo tanto, el aguafavorece la disolucin de la sal, pues evita que sus componentes se unan nuevamente, mientras que el benceno facilita su asociacin. El agua tambin disuelve sustancias no inicas con carcter polar, como azcares, alcoholes, aldehdos, cetonas, aminocidos, etctera, que contienen grupos carbonilo, amino, hidroxilo o carboxilo que fcilmente interaccionan con ella por medio de puentes de hidrgeno. Este mecanismo esel mismo que opera cuando se establecen dispersiones acuosas de polisacridos, protenas y otros polmeros, los cuales no producen soluciones verdaderas, sino suspensiones coloidales estabilizadas en el agua con dichas uniones (figura 1.3). Cabeindicar que la disolucin se efecta cuando la concentracin del agua es muy superiora 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 maneramuy distinta de las que no lo estn, ya que actan como una pelcula elstica, dando origen a los fenmenos de tensin superficial. En la figura 1.4 se observa que mientraslas molculas internas interactan 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 dinas/cm, a20C. 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 aderezosy de otras emulsiones, o al suministro de energa mecnica (agitacin, homogeneizacin),para formar dispersiones coloidales estables. La adicin de sales y de compuestospolihidroxilados (sacarosa), incre-1.4 Estados fsicos del agua 9InterfaseAireAguaFigura 1.4 Representacin esquemtica de la interaccin agua:aire. Las flechas indicanlos puentes de hidrgeno.menta la tensin superficial del agua, pero sta se reduce al aumentar la temperatura, ya que las fuerzas atractivas interiores se inhiben.1.4ESTADOS FSICOS DEL AGUADe 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 hidratados de las protenas y de los hidratos de carbono se deterioren trmicamente y pierdan su capacidad posteriorde rehidratacin. Por esta razn, muchos de los productos secados con estos procedimientos 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 producir10 Aguaslido presin mm de Hg alquidodb 4.579 gas c0.0099temperatura CFigura 1.5 Diagrama de fases del agua. a) Congelacin, b) Reduccin de la presin, c)Sublimacin, d) Evaporacin. Laruta a-b-c muestra el proceso de liofilizacin.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 radiacin, (calor latente de sublimacin, 2,825 kJ/g o 675 cal/g), que slo es suficiente para la sublimacin 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; larehidratacin 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 materias 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 porexcelencia. 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 uniformemente 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 sistema de aguamonomrica 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. Porotra parte, el hielo es una estructura ms ordenada y simtrica de molculas de aguaunidas ntegramente por medio de puentes de hidrgeno, que trae consigo una reduccinde la entropa del sistema lquido; cada molcula de agua interacciona con otras cuatro y establece enlaces de una distancia oxgeno-oxgeno de 2.76 y un ngulo de unin de 109, muy cercano al del ngulo del te-1.5 Efecto de los solutos en el agua 11traedro 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 molcula de agua puedeligar 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 calentamiento sobrepasa esta temperatura, la distancia entre molculas se incrementa y la densidad se reduce. 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, mientrasque 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, como la conductividad trmica; el hielo es ms conductor con un valor de2,240 J/m seg K (5.3 cal/cm seg C), que es cuatro veces el del agua.1.5EFECTO DE LOS SOLUTOS EN EL AGUALa presencia de los solutos inicos, no inico polar y apolar causa cambios importantes en la estructura del agua que se reflejan en sus propiedades coligativas, que incluye la depresin de la temperatura de congelamiento, el aumento de la de ebullicin, la reduccin de la presin de vapor, y el incremento de la presin osmtica. La temperatura tiene una influencia muy distinta en la solubilidad de los distintossolutos. La sacarosa absorbe calor al disolverse en agua (valor negativo de disolucin), en consecuencia, su solubilidad aumenta con la temperatura y de esta manera se preparan los jarabes de este azcar usadospuentes de hidrgeno, 2.76 puentes de hidrgeno(a)(b)Figura 1.6 (a) Estructura hexagonal de los cristales de hielo formados mediantepuentes de hidrgeno entre molculas deagua, y (b) planos paralelos de las molculas de hielo.12 Aguaen la industria de la confitera; en este proceso, entre cuatro y seis molculas deagua interaccionan e hidratan el disacrido para mantenerlo en disolucin. Por el contrario, el cloruro de sodio, al absorber una mnima cantidad de calor, su solubilidad se ve menos afectada por el incremento de la temperatura. El estudio de lasdisoluciones acuosas parte de los modelos termodinmicos para sistemas ideales 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 desviaciones con respecto a la Ley de Raoult se deben a muchas causas, entre otras a que los solutos tienen interacciones y forman complejos con ellos mismos o con otros polmeros, haciendo que no todo 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:t Kn pdonde 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 demenor peso molecular provocar una mayor reduccin, puesto que un mol es igual a lacantidad en gramos dividida entre el peso molecular. Por ejemplo, el pm efectivo de los compuestos responsables de este abatimiento en la leche descremada 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 tetradrico 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 congelacincomo en el aumento de la de ebullicin: un mol de sacarosa (no inico) disuelto en1,000 g de agua reduce 1.86C el congelamiento e incrementa 0.52C la ebullicin; parael NaCl (inico), estas cifras se convierten en 3.72C y 1.04C, respectivamente; poreste motivo, a grandes altitudes, se aade 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 temperatura ms bajaque se alcanza con soluciones de sal es de 21C, las cuales se emplean en el congelamiento industrial de helados y postres con alto contenido de sacarosa. El aumento de la temperatura a la que normalmente hierve un lquido es directamente proporcional a la concentracin del soluto aadido, e inversamente proporcional a su pesomolecular. 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 concentracin constante, hacen que congeleen un intervalo cerrado de alrededor de 0.54C; la determinacin se efecta en el criscopo y se hace rutinariamente para cuantificar posibles adulteraciones, como se explica en el captulo 12. Al reducir la temperatura de congelamiento, los solutosproducen tambin un efecto en la presin de vapor y por lo tanto en la actividad delagua; este hecho se ha aprovechado para relacionar ambos parmetros en solucionesacuosas binarias muy simples, de tal forma que con dicho punto de congelamientose deduce el valor de la actividad del agua.4, 281.6 Distribucin del agua en los alimentos 13Los 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 fenilalanina, 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 disolverse,favorecen las formas estables de agregados o clatratos en los que los solutos selocalizan en los espacios vacos, obligando a las molculas de agua a interactuar msfuerte y ordenadamente. Por otra parte, cuando el agua y una solucin se separanpor una membrana semipermeable (permeable al disolvente y no al soluto), la tendencia es que el agua pase a la solucin hasta que el equilibrio de concentracionesse alcance en los dos sistemas. A la presin requerida para que esto suceda se lellama 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 hacia el interior y aumenta la turgenciadel tejido. Este efecto tambin se observa en los microorganismos, 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.1.6DISTRIBUCIN DEL AGUA EN LOS ALIMENTOSEl trmino contenido de agua de un alimento se refiere, en general, a toda el aguade manera global. Sin embargo, en los tejidos animal y vegetal, el agua no est uniformemente distribuida por muchas razones, por ejemplo, debido a los complejoshidratados que se producen con protenas, a los hidratos de carbono y otros, a las diversas estructuras internas propias de cada tejido, a los microcapilares quese 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 heterogeneidad 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 encuentra el agua; es decir, no toda el agua de unproducto tiene las mismas propiedades fisicoqumicas, y esto se puede comprobar fcilmente por las diversas temperaturas de congelamiento que se observan; 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 quesolidifique 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 lapresencia de una solucin con 72% de slidos; por su parte, en la leche concentradacon un 26% de slidos, el agua no congelada aumenta 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 libre, para hacer referencia a la forma y al estado energtico que dicho lquido guarda en un alimento. Aunque en realidad no hay una definicin precisa para cada una de estas fracciones, se considera 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 efectuarmediante el anlisis trmico-diferencial, por resonancia magntica nuclear, etctera. Por otra parte, el agua libre, tambin llamada agua congelable14 Agua y agua capilar, es la que se volatiliza fcilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero 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, dicharelacin se reduce considerablemente. Algunos investigadores consideran que el agualigada est fuertemente unida al alimento por medio de puentes de hidrgeno, pero otros establecen que dicha agua slo est fsicamente atrapada en una matriz muy viscosaque no permite su movilidad y difusin y, por lo tanto, no est disponible.CUADRO 1.3 Agua no congelable y su contenido de slidosTemperatura Leche descremada (9.3% slidos) Agua no congelable (%) Slidos en solucin(%) Leche descremada concentrada (26% slidos) Agua no congelable (%) Slidos en solucin (%)(C)24 20 16 12 8 4 24.0 4.5 5.0 5.5 7.5 12.5 25.072.0 69.5 67.1 65.2 57.8 45.1 29.012.0 14.0 15.5 19.0 26.0 47.0 80.074.5 71.5 69.4 64.8 57.5 42.8 30.5Para entender mejor estos conceptos, considrese una molcula de almidn completamenteseca con un gran nmero de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio depuentes de hidrgeno; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitara 0.11 g de H2O por gramo de slido, cantidad suficiente para formar la llamada capa monomolecular BET (Brunawer, Emmett y Teller), la cual es diferente entre los distintos productos; por ejemplo, la gelatina, la lactosa amorfa y la leche enpolvo presentan valores de 0.11, 0.06 y 0.03 g/g de slido, respectivamente. Estaagua 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 construirncapas superiores sobre la monomolecular. En este esquema tan sencillo y expuesto slo con fines didcticos, el agua de las capas ms internas se considerara como ligada (que corresponde hasta aproximadamente 0.5 g/g de slido), mientras que la de lasms 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 ocon otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el alimento; no eslibre puesto que no se libera del alimento (p. ej. frutas y hortalizas), cuandose somete a esfuerzos mecnicos 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 polisacridos, 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-1.7 Actividad del agua 15dustria 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 puededividir el agua contenida en un producto. 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 yevaporar, y su eliminacin reduce la actividad del agua a 0.8. En la zona II, elagua se localiza en diferentes capas ms estructuradas y en microcapilares; es ms difcil de quitar que la anterior, pero al lograrlo se obtienen valores de la 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 eliminar en los procesos comerciales de secado; en algunos casos se puede reducir parcialmente en la deshidratacin, 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 oxidacinde lpidos, porque acta como barrera del oxgeno.agua libre zona III a velocidad relativa de reaccin b c contenido de humedad h 0.8 0.9 10monocapa zona Izona IId g e 0 0.1 0.2 0.3 f0.4 0.5 0.6 0.7 Actividad del aguaFigura 1.7 Cambios que ocurren en los alimentos en funcin de la actividad del agua. a) Oxidacin de lpidos; b) reacciones hidrolticas; c) oscurecimiento no enzimtico;d) isoterma de adsorcin; e) actividad enzimtica; f) crecimiento de hongos; g) crecimiento de levaduras, y h) crecimiento de bacterias.1.7ACTIVIDAD DEL AGUALas propiedades coligativas, reolgicas y de textura de un alimento dependen de sucontenido de agua, aun cuando ste tambin influye definitivamente en las reacciones fsicas, qumicas, enzimticas y microbiolgicas que se describen en otros captulos deeste texto. Como ya se indic, y slo para efectos de simplificacin, el agua se dividi en libre y en ligada; la primera sera la nica16 Aguadisponible 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 actapor 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 cambiosy 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 consu 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 migracin de la humedad en el almacenamiento y muchos otros factores. Si se considera una solucin ideal, de las que no existen muchas enalimentos, con solutos en muy reducida concentracin, este trmino puede expresarsede la siguiente manera: aa f f P Po HR 100 Ma Ma Ms (Ec. 1)donde: HR P Po Ms Ma P/Po fugacidad del disolvente de la solucin fugacidad del disolvente puro humedad relativa presin de vapor del agua del alimento presin de vapor del agua pura moles de soluto (g/pm) moles de agua (g/18) presin de vapor relativaTermodinmicamente, 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 directamente 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 lapresin de vapor relativa. Por esta razn, se ha sugerido usar la presin de vapor relativa como medida ms exacta, en lugar de la aa. A pesar de esto, y al igual queel pH, la aa se sigue empleando por sus beneficios prcticos, por la facilidad desu medicin y por el bajo costo de los equipos requeridos. Por tal motivo, la Secretara de Salud de Mxico (SSA), la FDA de Estados Unidos y la Comunidad Econmica Europea, la usan para categorizar la seguridad de los alimentos. En los estudios deAnlisis 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 vapor del agua pura a la misma temperatura, despus de alcanzar el equilibrio. Sus valores varan desde 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 dinmica, en lugar de la aay de la presin de vapor relativa, pero requiere de equipos costosos y poco1.7 Actividad del agua 17prcticos, de difraccin y de resonancia magntica nuclear. La movilidad molecular sebasa en la capacidad de difusin de los solutos, as como en la viscosidad que se genera en su microambiente, sobre 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 empleando la aa como parmetro de referencia en la industria. La actividad delagua es una propiedad intrnseca y se relaciona de manera no lineal con el contenido de humedad mediante las curvas o isotermas de adsorcin y desorcin (figura 1.8). Para entender esto, considrese un alimento con agua, almacenado a una temperatura determinada en una cmara hermticamente cerrada; al cabo de algn tiempo, su presinde vapor provocar la transferencia de molculas de agua y la cmara adquirir una humedad relativa constante que estar en equilibrio (sin movimiento en ningn sentido) con el contenido de agua del alimento. Dicha humedad est 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 humedady 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 temperaturadeterminada; si esto se repite con diferentes porcentajes de agua, y los resultados se grafican, 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 dehumedad relativa elevadas, se observar una transferencia de masa del gas al slidohasta llegar a un equilibrio; al repetir este experimento con diferentes humedades, se tendrn nuevamente pares de valores que al graficarse crean la isoterma deadsorcin (hidratacin del slido). La figura 1.8 muestra las dos isotermas antes descritas, llamadas de sorcin; se aprecia que para un contenido de humedad constantela actividad del agua es menor durante la desorcin que en la adsorcin, o que parauna 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, fenmeno que recibe el nombre genrico de histresis.contenido de humedaddesorcin adsorcin0.20.4 0.6 0.8 Actividad del agua1.0Figura 1.8 Curvas tpicas de las isotermas de adsorcin y desorcin de los alimentos.18 AguaCUADRO 1.4 Porcentaje de humedad de equilibrio a varias humedades relativasHumedad relativa (%)Pan blanco Galletas Pastas Harinas Almidn Gelatina10 0.5 2.1 5.1 2.6 2.2 0.730 3.1 3.3 8.8 5.3 5.2 2.850 6.2 5.0 11.7 8.0 7.4 4.970 11.1 8.3 16.2 12.4 9.2 7.690 19.0 14.9 22.1 19.1 12.7 11.4Por ejemplo, la histresis se presenta con una protena hidratada que se seca en unaatmsfera 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, adsorbe humedad y llega al equilibrio con tan slo 7% de agua. Existen muchos modelos que describen termodinmicamente el fenmeno de la adsorcin-desorcin que se basan en los cambios de entalpa y entropa, que asu 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 deequilibrio, o adsorcin, de diversos productos al someterlos a atmsferas de humedad relativa creciente; es claro que a medida que aumenta la HR, tambin lo hace elcontenido de agua pero segn una relacin no lineal. Por otra parte, el valor de aase incrementa cuando se eleva la temperatura, ya que igualmente lo hace la presinde vapor, como se observa en la figura 1.9 que muestra la tendencia general.25Esta dependencia ha sido motivo de muchos modelos matemticos, y para la capa monomolecular se ha establecido la ecuacin: ln Xm b aT, donde: Xm es el contenido deagua 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 a20C, como muestra la figura 1.9; durante su envo a los clientes, la temperatura del camin subi a 35C y as permaneci 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 fluctuaciones de temperatura pueden ocasionar grandes modificaciones en la actividad delagua. Por otra parte, la aa tambin est en funcin de los slidos que contenga un alimento, y para demostrarlo se han desarrollado diversas relaciones lineales matemticas; ste es el caso del suero de la leche, cuya concentracin C (gramos de slido por100 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 reduccin dela presin de vapor y, en consecuencia, en la actividad del agua, de acuerdo conla siguiente expresin: aa 1 1 0.0097 t1.8 Determinacin de las curvas de adsorcin y desorcin 19contenido de agua %45temperatura C 15 20 25 30 3500.20.40.60.81.0actividad del aguaFigura 1.9 Influencia de la temperatura en las isotermas de adsorcin.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 jugos, 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 representados 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 losvalores de la actividad del agua de un gran nmero de alimentos (cuadro 1.5). Lasfrutas, 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.1.8DETERMINACIN DE LAS CURVAS DE ADSORCIN Y DESORCINLa isoterma de adsorcin representa la cintica con la que un alimento adsorbe humedad y se hidrata, 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 comopierde agua.24 Con base en ambas curvas se disean los sistemas de almacenamiento, de secado, de rehidratacin, etctera, adems de que ayudan a predecir la estabilidad de los alimentos almacenados en distintas condiciones.20 AguaCUADRO 1.5 Actividad del agua de algunos alimentosaaFrutas frescas y enlatadas Verduras Jugos Huevos Carne Queso Pan Mermeladas Frutas secas Miel Huevo en polvo 5% humedad Galletas, cereales Azcar 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.95 0.94 0.86 0.73 0.70 0.40 0.35 0.10Para su elaboracin es preciso calcular el contenido de humedad y la actividad delagua en el alimento, 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 devapor, de la temperatura de roco, del abatimiento del punto de congelamiento, delas 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 diversos 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 sedeterminan colocando muestras del alimento en distintas cmaras cerradas hermticamente (p. ej. un desecador de laboratorio), en cuyo interior se generan atmsferascon una humedad relativa conocida y estable. De esta forma, al alcanzar el equilibrio se cuantifica el contenido de agua, con lo que se obtienen los valores quese grafican; la operacin se repite con tantas humedades como se considere necesario. Dichas atmsferas de humedad relativa conocida se logran empleando solucionessaturadas 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, generan 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 sedisea el empaque y se determinan las condiciones de almacenamiento; aunque cada producto se hidrata de manera diferente, esto se puede modificar con la ayuda deaditivos, o manipulando las condiciones de su procesamiento. La albmina del huevose hidrata ms rpidamente cuando no contiene la ye-1.9 Actividad del agua y estabilidad de los alimentos 21ma, posiblemente porque en sta existen lpidos que rechazan el agua; la influenciade 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 calculala aa a cualquier temperatura cuando se conoce el calor de adsorcin-desorcin a una humedad constante.1.9ACTIVIDAD DEL AGUA Y ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOSLos diversos mtodos de conservacin se basan en el control de una o ms de las variables que influyen 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. Enla 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 determinarla necesidad de tratamientos trmicos, de adicin de conservadores, etctera, para prolongar la vida de anaquel. En general, mientras ms alta sea la aa y ms se acerquea 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 1.7muestra la influencia 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 ladistribucin 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 alimento y, por eso, productos con la misma humedad, presentan distintas vidas de anaquel; dicha estabilidad se predice mejor con la aa. La influencia de este parmetro se ha demostrado en un gran nmero de trabajos de investigacin: 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 productos cocidos,17 estabilidades de pastas y harinas,29 y de las frutas,34 y en muchos otros productosy reacciones. La estabilidad de las vitaminas est influida por la aa de los alimentos de baja humedad; las hidrosolubles 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 aumentode la aa. Por el contrario, en los productos muy secos no existe 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 yla 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 tresveces por cada 10C de incremen-22 Aguaaa1.0 1 2 0.9 8 alimentos de humedad intermedia 5 0.8 7 0.7 10 6 3 4 ZONA DE BAJAESTABILIDAD 9 1. Frutas y hortalizas enlatadas 2. Leche y carnes frescas 3. Quesos con alto contenido de agua 4. Jamones 5. Embutidos fermentados 6. Quesos conbajo 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)11 0.60.5 ZONA DE ALTA ESTABILIDAD 0.4121314 0.3 alimentos cidos 4.6 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 pH alimentos no cidosFigura 1.10 Influencia de la aa y del pH en la estabilidad de los alimentos.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; alreducir an ms el agua, se pierde movilidad de los reactivos y se inhibe la reacciny por eso, en alimentos muy concentrados con azcares, es ms factible la caramelizacin que las reacciones de Maillard. Debido a la influencia del binomio aa-temperatura, en el secado es recomendable reducir la temperatura del aire al final delproceso 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-1.10 Alimentos de humedad intermedia 23va 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 protectora, para posteriormente aumentar nuevamentedebido 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 conlleva a la formacin delcentro activo; adems, tambin favorece la difusin de los reactivos e interviene comotal en las reacciones de hidrlisis. Cada enzima requiere una aa para realizar sufuncin; sin embargo, cuando el sustrato es lquido, como los aceites, las lipasasnecesitan solamente un mnimo de agua (captulo 4), mientras que las carbohidrasas yproteasas requieren de aa mayores en un intervalo muy amplio (p. ej. desde 0.4hasta 0.95). Para su crecimiento, los microorganismos necesitan condiciones propicias de pH, de nutrimentos, de oxgeno, de presin, de temperatura y de actividad del agua; como regla general, esta ltima tendr que ser mayor a medida que los otrosparmetros 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), yluego los hongos ( 0.80); de todos, los patgenos son los que ms la necesitan parasu desarrollo, situacin contraria a las levaduras osmfilas (cuadro 1.6). Como regla, la aa mnima para la produccin de toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano. La reduccin de la disponibilidad de agua inhibe dicho crecimiento, pero asu vez incrementa la resistencia trmica de los microorganismos, lo que indica que para destruirlos es mejor el calor hmedo que el calor seco.41 Los microorganismos 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 alimentosOrganismo MnimaMayora de bacterias dainas Mayora de levaduras dainas Mayora de hongos dainos Bacteriahalfila Levadura osmfila Salmonella Clostridium botulinum Escherichia coli Staphylococcus aureus Bacillus subtilis0.91 0.88 0.80 0.75 0.60 0.95 0.95 0.96 0.86 0.951.10ALIMENTOS DE HUMEDAD INTERMEDIALos alimentos de humedad intermedia tienen una larga vida de anaquel y no necesitan de rehidratacin o de enfriamiento para conservarse, por lo que son adecuadospara zonas y pases en donde la refrigeracin no existe o es muy costosa. No hay unadefinicin precisa de ellos pero se les considera productos con aa de 0.65 a 0.86y de 25 a 50% de agua. El valor de 0.86 se toma como lmite, ya24 Agua que es suficiente para inhibir bacterias patgenas, como el Staphylococcusaureus,26 aunque es insuficiente para evitar hongos y levaduras, por lo que ensu elaboracin se aaden sorbatos y benzoatos.10, 15 Estos productos se fabrican quitndole agua al alimento o adicionndole solutos altamente hidratables que retienenagua 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, conlo que se obtiene una leche evaporada con una mayor vida de anaquel; de la mismamanera se fabrican mermeladas, 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 microbiana del alimento. Lainfluencia de los solutos en la reduccin de la actividad del agua en un alimentoes muy compleja; la ecuacin (1) se refiere a sistemas ideales, muy simples, de los cuales no existen muchos. Slo 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 2moles 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 desviacionesde 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, compatibilidad, pH, costo, regulaciones, etctera; setienen, 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 fumrico), 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 producto 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 incluso entre sus propios ingredientes, causa la migracin del agua. El material del envase es fundamental, ya que si ste es permeable y el alimento se almacena enuna 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 (figura1.9). En cualquier caso, el alimento tendr una aa distinta que favorecer el crecimiento de microorganismos 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 intermedia. El exterior es una galleta seca con 0.3 de aa (bajo potencial qumico), mientras que el relleno 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 oxidacin 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 transferenciase haga del menor al mayor debido a sus distintas aa, y no con base en sus contenidos de agua. Adems de los alimentos, muchos productos y preparaciones comerciales de pigmentos y de vitaminas alcanzan su mayor estabilidad cuando se les ajusta la actividad del agua en el intervalo de los de humedad intermedia.1.12 El agua en la industria alimentaria 251.11CONGELAMIENTO DE LOS ALIMENTOSDe acuerdo con la ecuacin de Arrhenius, la reduccin de la temperatura inhibe las reacciones qumicas 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 hielo 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 temperaturas,as como los slidos disueltos que contienen; a medida que disminuye la temperaturatambin se reduce la proporcin de agua no congelada, aunque aumenta la concentracinde los slidos disueltos. En el microambiente de la fase no congelable, diferenteal resto del alimento, se modifica el pH, la concentracin de reactivos, la aa, lafuerza inica, la viscosidad, el potencial de oxidacin-reduccin, la solubilidad deloxgeno, la tensin superficial, etctera; en consecuencia, en estas condiciones, a pesar de la baja temperatura, pueden ocurrir muchas reacciones qumicas tales comola desnaturalizacin de las protenas, la oxidacin de los lpidos, la hidrlisis de la sacarosa, el oscurecimiento no enzimtico, etctera. La estabilidad y las propiedadesde las macromolculas dentro de las clulas de los alimentos dependen de la interaccin de sus grupos reactivos con la fase acuosa que los rodea; el congelamiento provoca un aumento de 8 10% del volumen, altera dichas interacciones y los cristales de hielo modifican la textura en frutas, hortalizas y crnicos. La turgencia delos tejidos est determinada por la presin hidrosttica de las clulas, y es la membrana la que retiene el agua y por lo tanto la que mantiene la frescura. Los componentes de las membranas son lipoprotenas formadas por enlaces dbiles (puentes de hidrgeno y uniones hidrfobas) muy dependientes de la temperatura, lo que conlleva a su fcil disociacin y a la liberacin de agua durante el descongelamiento; esto ocasiona que los tejidos de los alimentos pierdan su rigidez y frescura y, en ocasiones, se eliminen nutrimentos, como vitaminas hidrosolubles, en el agua de descongelamiento. Debido a esto, algunas frutas congeladas, como las fresas, se sirven parcialmente descongeladas en los restaurantes para evitar que al consumidor le llegue un producto sin estructura celular como el que se presenta cuando se descongela totalmente. La velocidad de congelamiento determina la formacin y localizacin de los cristales de hielo; cuando se hace rpidamente (minutos a muy baja temperatura), se producen muchos cristales pequeos tipo aguja a lo largo de las fibrasmusculares de la carne; por el contrario, si se efecta en forma lenta, se induceun menor nmero de cristales pero de mayor tamao, de tal manera que cada clula contiene una sola masa central de hielo. El congelamiento lento es ms daino que el rpidoya que afecta mayormente la membrana celular y adems establece cristales intercelulares que tienen la capacidad de unir las clulas e integrar grandes agregados.Los cristales de hielo no mantienen un tamao constante en el almacenamiento a bajas temperaturas, sino que continan creciendo a expensas de los de menor tamao, debido a que stos tienen un rea mayor que los grandes que aumenta su presin de vapor y, por lo tanto, las molculas de agua migran ms fcilmente.1.12EL AGUA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIANingn recurso ambiental presenta tantos usos como el agua. En una planta de alimentos se emplea en la produccin, en la formulacin, en el transporte de vegetales, en la generacin de vapor, en los26 Agua servicios (baos, regaderas, riego, etctera), en los sistemas de enfriamiento, en el lavado de equipo y maquinaria, etctera. Su extraccin se vuelve cada da mscomp