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DETERMINACIÓN DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIÓN Y DEL VALOR DE LA COBERTURA MONOMOLECULAR
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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIALA MOLINA
FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
CURSO : QUÍMICA DE ALIMENTOS
TEMA : DETERMINACIÓN DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIÓN Y DEL VALOR DE LA COBERTURA MONOMOLECULAR.
PROFESOR : BRICEÑO
ALUMNOS :-- PUMA ISUIZA, GUSTAVO 20090468--
La Molina, Setiembre del 2011
I. INTRODUCCIÓN
La conservación de los alimentos durante periodos prolongados ha sido
desde tiempos inmemorables un objetivo a seguir, para ello a lo largo de la
historia se han investigado métodos q permiten alargar la vida útil de los
mismos. En la conservación de los alimentos el agua es el elemento más
importante en su estabilidad. Así este elemento retarda la oxidación de los
lípidos, favorece la acción enzimática, favorece el desarrollo de mircroorganos
y entre ciertos límites favorece las reacciones a través de la Martos del
alimento.
Por lo expuesto se afirma que la calidad de los alimentos puede mantenerse
si el nivel de humedad es el adecuado para minimizar todas estas reacciones.
La humedad del alimento no es un parámetro de control de calidad confianble,
por ello es indispensable conocer el valor de la actividad del agua de un
alimento. Para ello, es necesario determinar isotermas de adsorción. Las
isotermas relacionan el contenido de humedad de un alimento versus su
actividad de agua y también establecen los niveles de humedad que
corresponden a la cobertura monomolecular; agua presente en multicapas,
agua condensada en capilares y agua libre.
La práctica tuvo como objetivo determinar experimentalmente la
capacidad hidrográfica del alimento y conocer una metodología y procedimiento
para determinar isotermas de absorción del alimento escogido, además
determinar mediante la ecuación de B.E.T. y G.A.B. el valor de monocapa y
poder predecir la humedad adecuada de almacenamiento a ciertas
condiciones.
II. REVISIÓN DE LITERATURA
2.1. ACTIVIDAD DE AGUA
La actividad de agua de un alimento o solución se define como la
relación entre la presión de vapor del agua del alimento (p) y la del agua pura
(po) a la misma temperatura. (Becke, 1999)
Aw = p/po
El valor de la Aw nos da una idea de la cantidad de agua disponible
metabolicamente. La actividad de agua está relacionada con el de la humedad
relativa de la siguiente manera:
HR = Awx100
Los factores que reducen la presión de vapor de agua en los alimentos y
por lo tanto la Aw , son la adsorción de las moléculas de agua a las superficies,
las fuerzas capilares y las sustancias disueltas.
La Aw también depende de la temperatura dada ya que esta influye sobre la
presión de vapor de agua de las soluciones; pero el efecto es pequeño con la
mayoría de los solutos salvo que las soluciones saturadas. En tales casos la
Aw puede variar marcadamente con la tempreratura. (Becke, 1999)
El agua de la zona II consta del agua de la zona I más el agua añadida.
El agua añadida de la zona II ocupa los restantes sitios de la primera capa y
varias capas adicionales en torno a los grupos hidrofílicos del sólido,
designándose agua multicapa. El agua multicapa se asocia con las moléculas
vecinas por enlaces de hidrógeno agua- agua y agua- soluto, no congelando la
mayor parte de esta agua a –40 °C. El agua de las zonas I y II normalmente
suponen menos del 5 % del agua de un alimento de alta humedad.
El agua de la zona III consta del agua de las zonas I y II más el agua añadida.
El agua de añadida de la zona III es el agua menos fuertemente ligada y más
móvil (molecularmente) y se designa agua de la fase masiva. Ésta agua es
congelable, es utilizable como solvente y suficientemente abundante para
permitir que las reacciones químicas y el crecimiento microbiano ocurran
rápidamente. El agua de la zona III, bien atrapada o bien libre, asciende a más
del 95% del agua total de un alimento de alta humedad. (FENNEMA, 1993)
Servil (2006) clasifica a la isoterma de humedad en 3 tipos I, II, III; los
cuales se aprecian en la Figuara Nº1 La isoterma tipo I, corresponde a
sustancias cristalinas tales como los azúcares. En este caso la estructura
cristalina no permite el acceso de la molécula de agua a todos sitios activos
que potencialmente podrían interaccionar con ella, pero a medida que la
actividad de agua aumenta, comienza a ocurrir la disolución de la estructura
cristalina, permitiendo una mayor interacción con las moléculas y
eventualmente la formación de una solución.
La isoterma tipo II, corresponde a la gran mayoría de los alimentos, donde la
complejidad de los alimentos y el distinto tipo de moléculas explican la forma de
la curva.
La isoterma tipo III, corresponde a algunos aditivos, este tipo de compuestos
tienen gran afinidad por las moléculas de agua, es decir poseen un gran
número de aditivos activos donde puede ser adsorbida el agua, sin aumentar
apreciablemente la actividad de agua.
Figura Nº 1: Tipos de Isotermas
Según CHEFTEL (1976), las isotermas de sorción son útiles por muchos
motivos. En primer lugar corroboran, en varios casos, las interpretaciones
teóricas y permiten por ejemplo, calcular el número de sitios activos o la
superficie efectiva de un producto.
En segundo lugar las isotermas permiten prever la actividad de agua de
mezclas de diversos ingredientes, más o menos húmedos.
El tercer aspecto es de interes práctico:
- Las curvas de adsorción permiten preveer la influencia de las
variaciones de humedad relativa del ambiente, sobre el contenido en
agua de un producto no protegido; indicando así la higroscopocidad de
un producto.
- Si la deshidratación de un producto se llevó más allá de su punto óptimo
Mo, se puede preveer la rehumidificaión hasta un contenido de agua
correspondiente a Mo.
- Si el producto está empacado en un embalaje que posee cierta
permeabilidad al vapor de agua se puede calcular también la cantidad
adsorbida en función del tiempo de almacenamiento.
III. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. MATERIALES.- Los materiales que se usaron en el presente experimento fueron los
siguientes:
- Alimento (Galleta)
- Cámara con temperatura regulable
- Placas petri
- Desecadores con soluciones saturadas:
Acido sulfúrico
Cloruro de litio
Acetato de potasio
Cloruro de magnesio
Bicromatro de sodio
Nitrito de sodio
Cloruro de sodio
Cromato de potasio
Nitrato de potasio
Agua
3.2 MÉTODOS.-
La metodología, con la que se realizó el experimento, fue la siguiente:
Se pesó aproximadamente un 1g de muestra (quinua avena) para introducirla
en un desecador, el cual contenía una sustancia saturada con una humedad
relativa conocida. Pasado 96 horas (cuatro días) se retiraron las placas de la
cámara y en seguida se procedió a pesarlas. Se hizo dos repeticiones para
cada muestra saturada; obteniendo así veinte valores experimentales. En
simultáneo con este procedimiento, se halló la humedad de la galleta. Para
ello, se hizo tres repeticiones, en las cuales se pesó aproximadamente 5,0
gramos de la muestra; para luego introducirlas a la cámara térmica. Pasadas
las 24 horas, se procedió a retirar las placas y pesarlas. Por último, se
realizaron los cálculos y las gráficas para hallar la cobertura monomolecuar y la
isoterma de adsorción, respectivamente.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 RESULTADOS
Cuadro 1: Humedad Relativa De Diversas Soluciones Saturadas
SOLUCIÓN SATURADA HUMEDAD RELATIVA (%) A 37° C
Acido Sulfúrico 0
Cloruro de litio 11
Acetato de Potasio 20.4
Cloruro de Magnesio 32
Bicromato de Sodio 50.3
Nitrito de Sodio 62.4
Cloruro de Sodio 75.1
Nitrato de potasio 93
Cromato de potasio 94
Agua 100
Cuadro 2: Cálculo De La Humedad Promedio
Envase 57,9985 69,03463 75,4465Muestra 5,0094 5,0175 5,0009Envase + Muestra 63,0079 74,05213 80,4474Envase + Muestra (12h.) 62,8461 73,8851 80,2825Humedad (b. h.) 3,22992774 3,32894868 3,29740647Promedio Humedad (%) 3,285427627
Por lo tanto:
Cuadro 3: Datos de la prueba para hallar la humedad de la galleta.
Nº W Placa+Muestra Solucion saturada HR(%) a`w Placa+Muestra Agua inicial W materia
Humedad % = (3,2299+3,3289+3,29740)/3 = 3.2854% de humedad de la galleta
Placa placa(g) Tº 25C a 38h. seca (g)11 13,8684 15,891 Acido sulfúrico
015,8678 0,06532998 1,95727002
20 19,1621 21,184 21,1609 0,06530737 1,9565926313 20,1917 22,1987 Cloruro de litio
0,1122,1951 0,0648261 1,9421739
5 19,4646 21,4808 21,4765 0,06512326 1,951076748 13,249 15,266 Acetato de potasio
0,2315,2929 0,0651491 1,9518509
24 18,0068 20,023 20,0505 0,06512326 1,951076744 18,5044 20,5007 Cloruro de
magnesio 0,3320,5436 0,06448049 1,93181951
19 14,5896 16,5854 16,627 0,06446434 1,9313356627 27,1367 29,1397 Bicromato de
sodio 0,529,252 0,0646969 1,9383031
16 19,3616 21,3646 21,4764 0,0646969 1,938303110 18,6834 20,6861 Nitrito de sodio
0,6420,8609 0,06468721 1,93801279
Blanco 18,9819 20,9834 21,157 0,06464845 1,93685155Blanco 19,0889 21,0986 Cloruro de sodio
0,7521,4063 0,06491331 1,94478669
18 19,1649 21,1665 21,4961 0,06465168 1,9369483210 19,5658 21,5016 Cromato de
potasio 0,8721,8193 0,06252634 1,87327366
11 13,2167 15,2263 15,5292 0,06491008 1,94468992m2 23,1328 25,1338 Nitrato de potasio
0,9325,7871 0,0646323 1,9363677
blanco 17,962 19,9624 20,5207 0,06461292 1,935787083 18,9015 20,9128 Agua
121,4191 0,06496499 1,94633501
6 19,5053 21,5184 22,0313 0,06502313 1,94807687
Cuadro 4: Datos obtenidos después de sacar la muestra del desecador.
Soluciónsaturada
Nº Placa
Agua adsorbida
Agua total(agua inicial + agua
a`w Humedad equilibrio (M) ( B.S.)
Mx (g .agua/g materia seca(promedio)
adsorbida)
Acido sulfúrico 11 -0,0232 0,042129980
0,0215248690,0215483720 -0,0231 0,04220737 0,021571874
Cloruro de litio 13 -0,0036 0,06122610,11
0,031524520,031349365 -0,0043 0,06082326 0,031174202
Acetato de potasio 8 0,0269 0,09204910,23
0,0471599030,047316424 0,0275 0,09262326 0,047472894
Cloruro de magnesio 4 0,0429 0,107380490,33
0,0555851570,0552513819 0,0416 0,10606434 0,054917611
Bicromato de sodio 27 0,1123 0,17699690,5
0,0913153880,0911864116 0,1118 0,1764969 0,091057431
Nitrito de sodio 10 0,1748 0,239487210,64
0,1235735960,12329085Blanco 0,1736 0,23824845 0,123008111
Cloruro de sodio Blanco 0,3077 0,372613310,75
0,1915959790,1975693418 0,3296 0,39425168 0,203542694
Cromato de potasio 10 0,3177 0,380226340,87
0,2029742630,1960549311 0,3029 0,36781008 0,189135592
Nitrato de potasio m2 0,6533 0,71793230,93
0,3707623820,34627516blanco 0,5583 0,62291292 0,321787931
Agua 3 0,5063 0,571264991
0,2935080480,295085736 0,5129 0,57792313 0,296663411
Cuadro 5: Interpolación con los datos del cuadro 4 para hallar los valores de M corregidos (M`)
Cuadro 6: Gráfica de M’ vs Actividad de agua
M´ Aw´0,021548371 00,030458362 0,10,031349361 0,110,043324639 0,20,047316399 0,230,049696894 0,30,055251384 0,330,070048159 0,40,091186409 0,50,114118155 0,60,123290853 0,64
Cuadro 7: Datos para la ecuación de B.E.T
Aw´ M´ Corregido A´w/ M` (1-A`w )0,1 0,030458362 3,64796740,2 0,043324639 5,77038850,3 0,049696894 8,62370650,4 0,070048159 9,51726180,5 0,091186409 10,9665470,6 0,114118155 13,144271
CUADRO 8: Gráfica de B.E.T para valores de A´w de 0.1 a 0.6
De la ecuación de B.E.T del gráfico se tiene:
y = 2.2153 + 18.275 x
Entonces, se puede deducir que:
2.2153 = 1/m´c m´c = 0.451418.275 = (c-1) /m`c c= (18.275*0.4514)+1= 9.2493
Luego: m´c = 0.4514 m = 0.4514 / 9.2493 = 0.0488
Entonces tenemos que los valores de "c" y de "m" en la fórmula son:
c = 9.2493 constante energética m´= 0.0488 valor de cobertura monomolecular
Ecuación de G.A.B:
Cuadro 9: Interpolación con los datos del cuadro 4 para hallar los valores corregidos
CUADRO 10: Valor de la monocapa versus Aw/m
M´ Aw´0,021548371 00,030458362 0,10,031349361 0,110,043324639 0,20,047316399 0,230,049696894 0,30,055251384 0,330,070048159 0,40,091186409 0,50,114118155 0,60,123290853 0,64
0,16380639 0,70,197569337 0,750,196938333 0,80,196054928 0,870,301209088 0,90,346275156 0,93
0,29508573 1
Aw´M´ Corregido Aw/M´
0,1 0,030458362 3,28317070,2 0,043324639 4,61631080,3 0,049696894 6,03659450,4 0,070048159 5,71035710,5 0,091186409 5,48327330,6 0,114118155 5,25770850,7 0,16380639 4,27333760,8 0,196938333 4,06218530,9 0,301209088 2,9879577
1 0,29508573 3,3888457
CUADRO 11: Grafico de Aw vs Aw/M´ ( Gráfica de GAB)
De acuerdo a la ecuación:
)1)(1( 1
01
wwW
W
kackakaakmC
m
Cm211
0
11
0 Cmk
kCm0
1
kCma
Cma
Cmk
ma
www
00
2
0
121111
www aama 2
De la regresión polinomial:
y = -15.396 x2 + 14.259 x + 2.3804
Tenemos que:
Donde α = - 15.396
Donde β = 14.259
Donde ε = 2.3804
Cálculo de los parámetros de la ecuación de GAB
De las ecuaciones se puede deducir que:
Los valores de mo, c y k son:
242
kDonde k = 0.9340 (Factor de corrección)
)1)(1( 1
01
wwW
W
kackakaakmC
m
2k
C
Donde c = 8.4135 (Constante de
Guggenhein)
kCm
1
0
Donde mo = 0.0534 (Valor de monocapa)
Cuadro 12: Constantes obtenidas para B.E.T Y G.A.B
B.E.Tm´ 0.0488 c 9.2493
G.A.Bm° 0.0534c 8.4135k 0.9340
%HUMEDAD 3.3347
0.33347
Calculo de la actividad de agua experimental:
De la ecuación de G.A.B:
Reemplazando los valores obtenidos de GAB (k=0.9340, mo =0.0534, c =8.4135) en la ecuación y desarrollándola, se tiene:
Awexperimental = 0.9025
De la ecuación de B.E.T
Reemplazando los valores obtenidos de BET (c=9.2493, m´=0.0448) en la ecuación y desarrollándola, se tiene:
Awexperimental =0.2474
DISCUSIONES.
Cuadro Nº1: Valores de humedad
Fuente: Badui
El valor de humedad teórico para una galleta, en general, es de 0.35. La
humedad que se halló en el laboratorio fue de 0.33. Por lo tanto, se
cometió un error del 5.7%. Este valor se pudo haber reducido si se
tenía un estricto control en los pesos de las muestras de galleta, y si se
hubiera trabajado con los valores de humedad relativa de las soluciones
saturadas correspondientes a la temperatura real (23ºC) con que se
llegó al equilibro de presiones.
Cuadro Nº2: Valores de Aw Fuente: Badui
Según Bell y Labuza, 2000. La ecuación de B.E.T es aplicable
únicamente para valore de aw entre 0 y 0,5 mientras que la ecuación de
G.A.B puede aplicarse para valores de aw superiores a este rango.
Esta afirmación concuerda con los valores obtenidos en el presente
experimento; ya que con la ecuación de G.A.B se produce un error
relativo de más del 100%. Por el contrario, con la de B.E.T reportó una
actividad de agua de 0.25 que relacionándolo con el valor tabular del
cuadro Nº2 se tiene un error relativo de 28.57%.
- Según CHEFTEL (1976), Si el producto está empacado en un embalaje
que posee cierta permeabilidad al vapor de agua puede variar, y también
la cantidad adsorbida en función del tiempo de almacenamiento. Se
puede evitar que la Actividad del alimento cambie utilizando empaque
impermeables, evitando así que el vapor de agua ingrese y se adsorba.
V. CONCLUSIONES
El experimento realizado se basa en el hecho de que asumimos que
toda el agua no constitucional de alimento (en el que se producen todas
las reacciones hidrofilicas, oxidativas y enzimáticas) es atraída con la
misma intensidad por los solutos, a excepción del valor de la monocapa.
Esta definición no es del todo correcta, dado que el agua vecinal y de
multicapas se atrae con una fuerza que difiere de la del agua en fase
masiva; por lo que nuestra isoterma de adsorción B.E.T no sería una
línea recta exacta. Esta es la razón del por qué la ecuación “lineal”
B.E.T. es usada hasta los valores de 0.5 (los valores de monocapa
alcanzan generalmente desde 0.25 -0.3 o 0.35)
Para hallar la actividad de agua de una galleta, es conveniente trabajar
con la ecuación de B.E.T, pues su actividad está en el rago de 0 a 0.5.
Ello originaria una menor oscilación del error relativo y se tendrían
valores más confiables; Con los cuales se podría eligir el tratamiento
tecnológico más adecuado para el alimento.
En el caso de hacerse una gráfica Adsorción vs Desorción no tiene un
fin más que de puramente práctico; dado a que el fenómeno de
Histéresis se da cuando el deshidratado se da por debajo del nivel de la
monocapa. Por lo tanto este tipo de deshidratado implica “retirar” el agua
constitucional del alimento, cosa que no es posible según lo estudiado.
Las constates usadas para hallar las ecuaciones G.A.B. y B.E.T. varían
con cada alimento, por que los diferentes solutos alteran de diversas
maneras las propiedades coligativas del agua (esto depende entre otras
cosas que tan afines son con las moléculas polares), y también por la
cantidad de sitios activos que se disponga (por ejemplo las sustancias
cristalinas no permiten el acceso del agua a dichos sitios activos
fácilmente)
La razón por la que se da la transferencia de agua cuando 2 “fases” (en
este caso las atmósferas producidas por las soluciones saturadas y la
galleta) tienen una humedad diferente se debe a que las presiones
parciales del vapor del agua en ambos no son iguales, dándole al vapor
de agua la facilidad de “escapar” hasta llegar a la estabilidad. (En la
Industria Alimentaria logramos la estabilidad del producto modificando la
atmósfera en la que se almacena, evitando así que el agua se adsorba o
desorba)
VI. BIBLIOGRAFIA
Cheftel, Jean Claude; Cheftel Henri. 1976. Introducción dela bioquímica
tecnología de los alimentos. Volumen I. Editorial Acribia. Zaragoza -
España.
Fennema, O. 1993. Química de los alimentos. Editorial Acribia. Zaragoza
- España.
Serpil Sahin, Servet Gülüm Sumnu. 2006. Physical properties of
foods.257 páginas
Salvador Badui Dergal.2006.Quimica de los alimentos. 4a edición. 730
páginas. Editorial.Pearson - Mexico