PROYECTO TERMODINAMICA

1.2. Termodinámica de agua en alimentos

En los tejidos animal y vegetal el agua no está uniformemente distribuida debido a los complejos hidratados que se establecen con proteínas, hidratos de carbono, lípidos y otros constituyentes. En general, el contenido de humedad de un alimento se refiere a toda el agua en forma global, sin considerar que en la mayoría de los productos existen zonas o regiones microscópicas que debido a una alta acumulación de lípidos no permiten su presencia y la obligan a distribuirse en forma heterogénea. El citoplasma de las células presenta un alto porcentaje de proteínas capaces de retener más agua que los organelos que carecen de macromoléculas hidrófilas semejantes; para tener un sistema estable, los diferentes componentes de los alimentos deben encontrarse en equilibrio entre sí respecto al potencial químico, la presión osmótica y la presión de vapor de agua que desarrollen.

Esta situación hace que existan diferentes estados energéticos y de comportamiento fisicoquímico de las moléculas de este disolvente. Es decir, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades, y esto se puede comprobar; fácilmente por las diversas temperaturas de congelamiento que se llegan a observar; generalmente un alimento se congela a -20 ºC, pero aun en estas condiciones una fracción del agua permanece líquida y requiere de temperaturas más bajas, pro ejemplo -40 ºC, para que solidifique. En el cuadro 1.5 se observa claramente que APRA el caso de las leches descremadas y concentradas, una porción de su agua no congela a -24 ºC por la presencia de algunos sólidos en solución que contienen en estas condiciones.

Este tipo de consideraciones ha llevado a que tradicionalmente se empleen términos como “agua ligada” y “agua libre”, para referirse a la forma y el estado energético que dicho líquido guarda en un alimento. Aunque en realidad no hay una definición precisa para cada una de estas fracciones, se considera que el agua ligada es aquella porción que no se congela en las condiciones normales de congelamiento a -20 ºC; su determinación se puede efectuar mediante el análisis térmico-diferencial, por resonancia magnética nuclear, etc., pero cada método da una cantidad diferente. Por otra parte, el agua libre es la que se volatiliza fácilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la actividad acuosa.

En la actualidad muchos autores prefieren usar los términos “agua congelable”, en lugar de libre, y “agua no congelable” para la ligada. La relación de concentraciones entre la primera y la segunda se incrementa en la medida en que el producto tenga más agua; en los deshidratados, dicha relación se reduce considerablemente. Debido a que la cantidad de cada una de ellas varía con el tipo de alimentos, no puede generalizar.

Para entender mejor estos conceptos, considérese una molécula de almidón completamente seca con un gran número de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de hidrógeno; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitaría 0.11g de H2O por gramo de sólido, cantidad que corresponde a la llamada capa monomolecular BET (Brunawer, Emmett y Teller) y que es diferente para cada alimento: para la gelatina, la lactosa amorga y la leche en polvo es de 0.11, 0.06 y 0.03 g/g de sólido, respectivamente. Dicha cantidad está fuertemente unidad al sólido y su fugacidad es baja; en consecuencia, su presión de vapor es reducida, al igual que la actividad acuosa que generan (0.2 a 0.4).

Si a esta molécula de almidón parcialmente hidratada se le siguiera añadiendo agua, se formarían otras capas de este líquido, pero ya no directamente sobre la superficie del sólido sino encima de la capa monomolecular BET, dentro de este esquema, el agua más interna se considera como ligada (que corresponde de 0.3 a 0.5 g/g de sólido), mientras que la más externa es libre.

Estrictamente hablando, no existe ninguno de estos tipos de agua, ya que aun la más fuertemente ligada, que incluye a la capa BET, tiene cierta movilidad puesto que ejerce una presión de vapor mensurable; de igual forma, no hay agua completamente libre debido a que también está unida a otras moléculas de su misma especie o con otros constituyentes que la estabilizan y retienen en la estructura tridimensional del alimento; no es libre puesto que no se libera del alimento (vg. Frutas y hortalizas) cuando se somete a esfuerzos mecánicos ligeros.

Por esta razón, aunque dichos términos deben aplicarse con ciertas precauciones, se siguen empleando debido a que simplifican considerablemente la situación real.

Para efectos estrictamente didácticos se ha elaborado la figura 1.7 en la que se delinean tres zonas hipotéticas que ubican el agua en un producto; la que integra la zona III se considera libre; se encuentra en macrocapilares; forma parte de las soluciones que disuelven las sustancias de bajo peso molecular; es la más abundante y fácil de congelar y evaporar, y su eliminación reduce la actividad acuosa, aa, a 0.8.

En la zona II el agua se localiza en diferentes capas más estructuradas y en microcapilares; es más difícil de quitar que la anterior, pero al lograrlo se obtienen valores de aa de aproximadamente 0.3.

Finalmente, el agua en la zona I representa la capa monomolecular BET, y es la más difícil de eliminar en los procesos términos comerciales de secado; en algunos casos se puede reducir parcialmente en la deshidratación, pero esto no es recomendable, ya que, además de que se requeriría mucha energía para ello y se podría dañar el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, sobre todo contra las reacciones de oxidación de lípidos porque actúa como barrera del oxígeno.

Figura 1.7 cambios que ocurren en los alimentos en función de la actividad acuosa a 20OC: a, oxidación de lípidos; b, reacciones hidroliticas; c, oscurecimiento no enzimático; d, isoterma del contenido de humedad: e, actividad enzimatica; f, crecimiento de hongos; g, crecimiento de levaduras, y h, crecimiento de bacterias.

Del agua contenida en un alimento dependen las propiedades reológicas y de textura de éste, pero también es responsable en gran medida de las reacciones químicas, enzimáticas y microbiológicas, que son las tres principales causas del deterioro de un producto. Como se describió más arriba para efectos de simplificación, el agua se dividió en libre y en ligada; la primera sería la única disponible para el crecimiento de los microorganismos o para intervenir en las transformaciones hidrolíticas, químicas, enzimáticos, etc., puesto que la segunda está unida a la superficie sólidas y no puede intervenir en estos

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