Adsorción e Histéresis

INTRODUCCIÓN

1.1 Adsorción e Histéresis

El término adsorción hace referencia a la condensación de gases sobre superficies libres, a diferencia de la absorción gaseosa en donde las moléculas del gas penetran dentro del sólido (Kaiser1,1881). Es un fenómeno de transferencia de materia entre fases, el cual se utiliza ampliamente en los tratamientos para eliminar sustancias de las fases fluidas (Eckhard, 2012). Este enriquecimiento crea una fase intermedia llamada interfase, donde tiene lugar la adsorción entre la fase líquida que tiene el componente que deseamos eliminar y el otro componente que es el adsorbente. En la fase fluida debe estar el componente a adsorber disuelto en el líquido (Castelló, 2017).

Existen dos tipos de adsorción, la adsorción gas/sólido y líquido/sólido. Ambos tipos se pueden clasificar según el tipo de interacción que produce la separación y si el proceso ocurre en fase dinámica o estática. Los principales factores que influyen en la adsorción son: el relleno utilizado, la naturaleza del adsorbido y del adsorbente, temperatura y presión de operación y la concentración. Por otro lado, el proceso de desorción es el proceso inverso, es un fenómeno de regeneración del relleno para su reutilización y poder aislar o recuperar el adsorbido.

Asimismo, es importante mencionar que las isotermas de adsorción describen la relación de actividad o equilibrio entre un soluto cualquiera en la solución y el adsorbente (matriz del medio poroso) bajo unas condiciones fisicoquímicas determinadas. De acuerdo con la forma de la curva de adsorción se puede definir a simple vista las posibilidades de que ocurra el proceso de adsorción.

Figura 1

Isoterma de sorción tipica de un producto.[pic 1]

En la figura 1 podemos observar que la mayoría de las isotermas tienen una forma sigmoidea, aunque pueden existir diferentes formas, de acuerdo a las características del producto. Un incremento en actividad de agua casi siempre se acompaña de un incremento en el contenido de humedad, pero no es una relación lineal.
La actividad de agua es un mejor indicador de la estabilidad física y química de un alimento, en adición a la estabilidad microbiológica. No obstante que la actividad de agua y el contenido de humedad son mediciones diferentes, una tiene efecto sobre la otra y viceversa. La relación entre la actividad de agua y el contenido de humedad a una temperatura dada es característica de cada producto y se llama isoterma de sorción.

1.2 Aplicaciones en la agroindustria

Las isotermas de adsorción se utilizan en cuatro grandes áreas del procesado de alimentos: secado, mezcla, envasado y almacenamiento, principalmente en la primera. La adsorción ocurre inicialmente por formación de una monocapa de agua alrededor de los enlaces iónicos de la superficie del producto seguida de una adsorción en multicapas mediante enlaces débiles, captación de agua en los poros y espacios capilares, y por disolución de solutos. Finalmente, para muy altos contenidos de agua, hay un atrapamiento mecánico de la misma. Estas fases pueden solaparse y difieren entre los distintos tipos de alimentos, dependiendo de su composición y estructura (Barbosa & Vega, 2000).

Isotermas de adsorción y desorción de agua en leche (entera) en polvo.

Figura 2

Isotermas de adsorción y desorción de agua en leche.

[pic 2]

Soteras et al. (2014) realizaron sistemas de adsorción y desorción en muestras de leche entera en polvo en tres temperaturas, evidenciando que las isotermas de adsorción presentaron un punto de entrecruzamiento para aw entre 0,3 y 0,5 (figura 1) y para la desorción entre aw de 0,5 y 0,6 (figura 1). Este entrecruzamiento dado es a causa del incremento de la temperatura, produdiendo un aumento de la solubilidad de la lactosa. Asimismo, a 25 °C se observa una marcada histéresis para actividades de agua superiores a 0.5  (figura 3), donde es mayor la cantidad de agua atrapada que no participa en la presión de vapor del agua del alimento, para la isoterma de adsorción esto se puede deber a la captación de agua en los espacios capilares, a la disolución de la lactosa y/ó al atrapamiento mecánico en los intersticios de las moléculas de caseína, fenómenos que no logran completarse cuando se realiza una humidificación progresiva. Este efecto de histéresis debe considerarse en el diseño de embalaje y condiciones de almacenamiento de la leche en polvo.

Figura 3

Isotermas a 25ºC.

[pic 3]

Isotermas de adsorción en harina de maíz.

Figura 4

Isoterma de adsorción, Contenido de humedad de equilibrio experimental de la harina de maíz.[pic 4][pic 5]

Gálvez y Mondaca (2006) bajo el objetivo de elaborar isotermas de adsorción de muestras de harina de maíz con datos de humedad experimental obtenido en el equilibrio, en función de la actividad de agua para tres temperaturas de trabajo (7, 22 y 45 °C) obtuvieron isotermas de forma sigmoidea o tipo S, donde la humedad de equilibrio presenta una dependencia con la temperatura para casi todo el rango de actividad de agua, y solo después de una aW mayor a 0,75 se aprecia un entrecruzamiento de las curvas, es decir, una independencia entre las temperaturas de trabajo, puesto que, al parecer sobre 0,75 podría existir un aumento de la actividad enzimática y del movimiento entre moléculas de agua, carbohidratos y proteínas. Asimismo, no se observó esta dependencia para valores superiores de actividad de agua, donde se presenta la mayor capacidad higroscópica del producto.

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