Agua En Tecnologia De Alimentos

A G U A

INTRODUCCION

En este planeta, el agua es la única sustan¬cia que existe abundantemente en los tres esta¬dos físicos. Además, es el componente mayoritario de los seres vivos y, por lo tanto, de los alimentos, variando su contenido desde un 60 - 70% en la carne hasta un 90 - 95% en las verduras. El agua es esencial para la vida por ser:

• Portadora de sustancias nutritivas y de productos de desecho.

• Altamente reactiva y, al tiempo, un me¬dio donde se realizan las reacciones.

• Un estabilizador de las configuraciones biopolímeras.

• Un determinante de las reacciones con otras moléculas.

La presencia de agua en cantidades adecua¬das y con una localización definida es imprescindible en los alimentos para que tengan una calidad aceptable para el consumidor. Sin embargo, el contenido en agua de los alimentos hace que éstos sean altamente perecederos, y por ello se requieren métodos efectivos de con¬servación si se pretende almacenar estos pro-ductos durante largos períodos. Es bien conoci¬do que la extracción del agua por deshidratación o la transformación al estado sólido (congelación)-de un alimento, son métodos muy eficaces para la conservación de los ali¬mentos, aunque altera sus propiedades.

Si se pretende conocer el papel que juega el agua en los alimentos, o en cualquier tipo de material biológico, es necesario primero un es¬tudio de la estructura y propiedades del agua y del hielo.

CONSTANTES FISICAS DEL AGUA Y DEL HIELO

Al comparar las propiedades físicas del agua y del hielo con otras sustancias de masas moleculares similares (CH4, NH3, SH2 y etc.) y otros líquidos (metanol, etanol, acetona, etc.) se observa que el agua se comporta de una for¬ma totalmente anormal, ya que posee unos valores muy altos, no habituales, del punto de fu¬sión (0 °C a 101,3 kPa), del punto de ebullición (100 °C a 101,3 kPa), de la tensión superficial (0,0756 N m-1 a 0 °C), de la capacidad calorífica (4,2177 kJ kg-1 K-1 a 0 °C) y calores de fusión (6,012 kJ mol-1), de vaporización (40,63 kJ mol-1) y sublimación (50,91 kJ mol-1). Por el contrario, tiene una densidad moderadamente baja (0,999841 g cm-3 a 0 °C la del agua; la del hielo a 0 °C es de 0,9168 g cm"3) y una densidad máxima, totalmente anormal, a 3,98 °C, así co¬mo una dilatación, también anormal, al pasar al estado sólido. Su viscosidad, por otra parte y a la vista de las propiedades anteriores, es ex¬tremadamente normal.

De gran interés es el hecho de que la con¬ductividad térmica del hielo a 0 °C (2,24 W m-1 K-1) es cuatro veces mayor que la del agua a la misma temperatura (0,57 W m-1 K-1), lo que indica que el hielo conduce la energía calorífica a una velocidad mayor que el agua inmovilizada (por ejemplo, en los tejidos). Es importante también la difusividad térmica, ya que indica la velocidad a la que los alimentos sufren cambios de temperatura. La del hielo (11,7 x 10-7 m2 s-1) es, a 0 °C, unas nueve veces mayor que la del agua (1,3 x 10~7 m2 s-1). Las diferencias existentes entre los valores de conductividad y difusividad térmica de agua y hielo explican por qué los tejidos se congelan más rápido que se descongelan.

LA MOLECULA DEL AGUA

Las anormales constantes físicas del agua sugieren la existencia de fuerzas de atracción muy fuertes entre las moléculas y una estructu¬ra, tanto del agua como del hielo, poco común.

En la molécula de agua (figura 1), el áto¬mo de oxígeno comparte un par de electrones con cada uno de los átomos de hidrógeno, por superposición de los orbítales híbridos sp3 del átomo de oxígeno. Se forman así dos enlaces covalentes (2/3 de carácter covalente y 1/3 de carácter iónico).

Figura 1. Modelo esquemático de una molécula de agua.

Mediante análisis espectroscópicos y de ra¬yos X, se han determinado con precisión los ángulos de valencia y las longitudes. El ángulo de valencia medio para el enlace H-O-H en el agua es de 104,5° que le proporciona una confi¬guración tetraédrica casi perfecta (el ángulo del tetraedro es 109 ° 28') de los cuatro orbita¬les sp3 posibles del átomo de oxígeno. La explicación de esta ligera desviación es que los elec¬trones no compartidos del átomo de oxígeno tienden a repeler a los electrones pareados. La distancia media entre H-0 es de 0,096 nm. Esta disposición de los electrones en la molécula de agua le confiere asimetría eléctrica. El átomo de oxígeno electronegativo tiende a atraer los electrones no compartidos del átomo de hidró¬geno. El resultado es que cada uno de los dos átomos de hidrógeno posee una carga local parcial positiva; el átomo de oxígeno, a su vez, posee una carga local parcial negativa. De esta forma, la molécula de agua es un dipolo eléctri¬co. El grado de separación de las cargas positi¬vas y negativas en; las moléculas dipolares se expresa por el momento dipolar que constituye una medida de la tendencia de una molécula a orientarse en un campo eléctrico.

La naturaleza dipolar de la molécula de agua aislada hace que se produzca una fuerte atracción electrostática entre la carga parcial negativa, situada sobre el átomo de oxígeno de una molécula de agua, y la carga parcial positi¬va situada sobre el átomo de hidrógeno de otra molécula de agua adyacente, dando lugar a en¬laces de hidrógeno. A causa de la ordenación aproximadamente tetraédrica de los electrones en el átomo de oxígeno, cada molécula de agua tiende a establecer enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua vecinas. En comparación con los enlaces covalentes, con una energía de enlace (energía necesaria para disociar el enlace) de 335 kJ mol-1, los enlaces de hidrógeno tienen una energía de enlace mu-cho más débil (2 - 40 U mol-1).

Como los enlaces covalentes de la molécula de agua están localizados sobre dos de los ejes del tetraedro imaginario, estos dos ejes repre¬sentan líneas positivas de fuerza (sitios dado¬res). Pero en el átomo de oxígeno permanecen otro par de orbitales sobre otros dos ejes del tetraedro y representan líneas negativas de fuerza (sitios receptores de enlaces de hidróge¬no). En virtud de estas cuatro líneas.de fuerza, cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras cuatro molécu¬las, obteniéndose, como resultado, una estructura también tetraédrica (figura 2).

Debido a que la molécula de agua tiene un número igual de sitios receptores que dadores de puentes de hidrógeno que permiten una dis¬posición tridimensional, hace que existan unas fuerzas de atracción muy grandes entre las mo¬léculas de agua, sobre todo si se compara con las fuerzas de atracción de otras moléculas pe¬queñas con configuración tetraédrica, tal como el NH,, que tiene tres hidrógenos y sólo un si¬tio receptor, o el FH con un hidrógeno y, por lo tanto, tres sitios receptores. Ambos no tienen igual número de receptores y dadores y, por ello, sólo pueden formar enlaces de hidrógeno en sentido bidimensional y, en consecuencia, un menor número de enlaces de hidrógeno en¬tre sus moléculas que en el agua.

Figura 2. Configuración tetraédrica de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno. O: Oxigeno; ☻hidrógeno. Fuente: Fennema (1996).

La disposición tridimensional de las molé¬culas del agua explica muchas de las propieda¬des anormales que posee: su gran capacidad ca¬lorífica, su alto punto de fusión y de ebullición, su tensión superficial, los altos valores de los calores de fusión, vaporización y sublimación; todos ellos relacionados con la gran cantidad de energía que se necesita para romper los enlaces de hidrógeno intermoleculares.

ESTRUCTURA DEL HIELO Y DEL AGUA

El agua, con sus fuerzas dirigidas en las tres direcciones del espacio y en el sentido de los cuatro ejes de un tetraedro, cristaliza en una es¬tructura abierta de baja densidad. La distancia entre los dos átomos de oxígeno más cercanos es de 0,276 nm y el ángulo que forman tres áto¬mos de oxígeno es ligeramente superior a 109° (muy próximo al ángulo del tetraedro perfecto, 109° 28'). En el hielo, cada molécula de agua se halla unida por enlaces de hidrógeno a exacta¬mente otras cuatro moléculas de agua que se asocian de tal forma que se obtiene una estruc¬tura hexagonal, que es la combinación de dos planos paralelos muy cercanos con los átomos de oxígeno distribuidos de forma regular. Esta disposición constituye una estructura basal. Cuando varias estructuras básales se unen se obtiene la estructura habitual del hielo.

El hielo puro no es un sistema estático cons¬tituido sólo por moléculas de agua dispuestas en un orden preciso sino que es un sistema di¬námico porque, al margen de contener en cantidades vestigiales ciertos isótopos (deuterio, tritio, 1 H, 17 O, 18 O, etc.), que pueden ignorarse en la mayoría de los casos, los cristales de hielo nunca son totalmente perfectos, existiendo de¬fectos de tipo orientacional (causados por dis¬locación de protones) o iónico (formación de H3O+ y OH-) que explican la mayor movilidad de los protones en el hielo que en el agua; se cree que están en vibración continua que dis¬minuye al hacerlo la temperatura, siendo ne¬cesario alcanzar temperaturas del orden de -183 °C para fijar los átomos de hidrógeno y conseguir un sistema estático. Este estado di¬námico del hielo se ha relacionado con la acti¬vidad de ciertas reacciones que, aunque sea lentamente, siguen progresando

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