Química de los Alimentos 5ta ed.- 2013 - Salvador Badui Dergal

1. Qumicade tos Alimentos s~icin Salvador Badui Dergal www.freelibros.org

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3. Qumica de tos Alimentos www.freelibros.org

5. Qumica de tos AlimentosQuinta edicin Salvador Badui Dergal Director Tcnico Grupo Hrdez, S. A. de C. V. CAPITULO 3 Dra. Amanda G1Uvez Marisca.! Ora. Idalia Flores Argello Dra. Amella Farrs Gonzlez Saravia Departamento de Alimentosy Biotecnologa Facultad de Quimica Universidad Nacional Autnama de Mxico CAPITULO 5 Dra. Maricarmen Q.uirasco Baruch Departamento de Alimentosy Biotecnologa Facultad de Qumica Univer.;idad Nacional Autnoma de Mxico Dr.Agustn Lpez-Mungua Canales Instituto de Biotecnologa Universidad Nacional Autnoma de Mxico CAPITULO 7 Dra. Isabel Guerrero Legarreta Departamento de Biotecnologa Universidad Autnoma Metropo~tana Unidad lztapalapa Ora. Elosa Lpez Hemndez Divisin Acadmica de CienciasAgropecuarias UniversidadJw:rez Autnoma deTubasco Dr. Roberto E. Armenta Lpez Q:ean Nutrition Canada lllrtmouth, Nueva Escocia, Canad Dra. Raquel Garca Barrlentos Universidad Politcnica deTlaxcala CAPITUL08 Dra. Edith Ponce Alqudra Dr. Hctor Bernardo Escalona Buenda O?partamento de Biotecnologla Universidad Autnoma Metropolitana Unidad lztapalapa CAPITULO 10 Dr. Jos Gerardo Montejano Gaitn InstitutoTecnolgico yde EstudiosSuperiores de Monterrey Campus Quertaro CAPITULO 11 Dr. Pedro ValleVega Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnama de Mxico CAPfTULo 14 Ora.Amanda Glvez Mariscal M. en C.Alejandra Barrios Prez Q.. A. Ana Berenice de la Barrera Avils Cl!partamento de Alimentos y Biotecnologa Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico M. en C. Ma.ra del Roco Fernndez Surez Programa Universitario de Alimentos Univmidad Nacional Autnoma de Mxico REVISIN'ICN!CA Ruth Pedroza Islas Coordinacin de Ingeniera de Alimentos Departamento de Ingeniera yCiencias Qumicas Universidad Iberoamericana PEARSON www.freelibros.org

6. /Datos.decaiaJogacin bibliogrfica llADOI Dl':RGAI,, SA!NADOR Qumicadt lm alime.nlflS Quintaedicl6n FtiARSON EOUCAClN, Mxico, 201 3 ISBN: 978-rl-32- ISOS-4 rea: Ciencill Formato: 18.S X'23.Scm &lido en espaol !Meccin Educatin superior: Editora: Edita

7. Contenido Introduccin Prlogo Captulo 1 Agua Introduccin fuentes de agua para el ser humano Propiedades del agua Punt.. d htdrgno Propiedades lislcoqulmicas Estados fsicos del agua Efecto de los solutos en el agua Distribucin del agua en los alimentos Actividad del agua Actividad del agua y establdad de los alimentos Alimentos de humedad intermedia Congelamiento de los alimentos Dureza del agua Agua potable Agua en la industria alimentaria Referencias bibliogrficas xvii 1 3 3 5 6 7 8 11 14 16 17 21 23 24 25 26 26 28 V www.freelibros.org

8. vi Captulo 2. Hidratos de carbono Introduccin Monosacridos MonosaeAri:los ms comunes Aminoaz:Ucares, desoxiaz.caresy po1ioles Glucsidos Reacciones de oscurecimiento C&ramelizacin Reaccin d~ Mallard Oligosacridos Sacarosa Maltosa lactosa Rafinosa. estaquiosay verbascosa Otros oligosacridos Tecnologa de los azcares Conservacin Oistalizacln Hidratacin Poderedulcorante Polisacridos Celulosa Hemicelulosa Almidn Pectinas Glucgeno Gomas Fructosanas Otros polisacridos Hidratos de carbono y salud Fibra Referencias bibliogrficas Captulo 3 Protenas Introduccin Aminocidos Oel gena la protelna Estereoqutmicadelos a-aminocidos Clasificacinde los aminocidos Reactlvidad qu(mica Propiedades cido-base Pptldos y enlace peptldico Estabidad y formacin del enlace peptldlco Oulmica de losalimentos 31 31 32 36 38 39 45 46 48 SS S6 S9 S9 60 61 61 62 62 62 63 64 65 67 68 78 81 81 88 88 88 89 91 95 95 96 99 102 103 103 104 107 109 www.freelibros.org

9. Organizac:in estructural Estabmdad de la e$tructura protelnica Estructura primaria EstructurasecundaTia Estructura terciaria Estructwacuaternaria Deteccin y cuantificacin de aminocidos. pptldos y prote!nas Reacciones qufmicas de tos grupos funclonalct:S de las protefnas y mtodos de tincin OJ.antWicacin de protefnas caracterit..acin de protefnas Anlisis de los aminocidos de las protelnas Determinacindeamino y carboxilo terminalesy secuenciacin Desnaturalizacin Termodinmica de la desnaturali7.acin Oesnatur81i.zacin por cambios de temperatura Desnaturalizacin porcambios de pH Desnaturalizacin por urea y cloruro de glAnldlnio Desnaturalizacincon detergentes Desnaturalizacinconsolventes orgnicos Efecto de1a adicinde sales en la solubfdadde las protelnas lnactivacin mecnica Protelisis Modficaciones qumicas Tratamientos trmicos moderados l'(rUsis Racemzaciny ronnacin de aminoac.idos modificados Entrecruzamientos Reacciones de &as proteiias conagentes oxidantes Reacciones con nitritos fb!acclones con sulfitos Rl!acciones carbonl amino Formacin de acrilamida en altas temperaturas Prdkia de aminocidos por tracck>nacin Propiedades funcionales de las proteinas Definicinde funcionalidad y clasificacin PropledadH de hidratacin Propiedades interfaciales de las protenas Unin de sabore$ Viscosidad Gelacin Propiedades nutrimentales Evaluacinde lacalidadprote(nica en trminos nutrimentates Protelnas de algunos alimentos Protenas delhuevo Contenido 112 112 114 115 120 123 124 128 130 132 135 136 139 140 142 145 145 146 147 148 151 151 152 152 152 153 156 158 159 160 160 161 163 163 163 166 170 176 178 V9 181 182 184 185 vii www.freelibros.org

10. viii Protefnas dela ca.me Gelatina Protelnas de p..cado: suriml, hldroHzadosde pescado Protelnas lcteas Protelnasvegetales Protelnas edulcorantes Pptidos de importancia en el campo de alimentos Protefnas microbianas Referencias bibliogrficas Capitulo 4 Lipidos Introduccin Oasficacin cidosgrasos Acllgllcridos Fosfoglicridos o fosfollpidos Ceras Esteroides Anlisis f!slcos y qufmicos Manufactura de grasas y aceites O..gomado Neutralizacin Decoloracin Desodorizacin Hibemactn Procesos de modificacinde grasas y aceites Hidrogenacin lnterfOterifteaetn Fraccionamiento Sistemas grasos en alimentos Margarina Mantecas vegetales Mant~ma GrasM para alimentos infantiles Helados Mayonesa y adereios SUsttutos de manteca de cacao Fredo Deterioro de los ltpidos tiplisis o rancidtt hidrolftica Oxtdadn o randdttt oxidativa Antioxidantes Outmica de losalimentos 188 191 192 193 196 205 206 208 210 223 223 224 225 231 236 237 238 239 242 243 244 244 245 245 245 246 250 253 253 253 255 255 255 256 256 257 257 259 259 260 264 www.freelibros.org

11. Determinacin de la oxidacin Evaluacin sensorial Indice de perxido Mtodo del~cido tiobarbitrico Mtododel oxgeno activo Otros mtodos Aspectos nutricionales Referencias bibliogrficas Captulo 5 Enzimas Introduccin Nomenclatura tas enzimas como catalizadores Especificidad Sitio activo Factores que afectan lavelocidadde las reacciones enzimticas Electo del pH Electo de la temperatura Efecto dela eoncentracin de sustrato Efecto de la actMdad acuosa Electo de otros agentes enlaactividad enzimtica Cintica de las reacciones enzimticas OJantificaclnde la actividad enzimtica Uso industrial de las enzimas Revisin de enzimasde importancia en alimentos C.rboh.ldrasas Proteasas Upasas Oxidorreductasas Transferasas lsomerasas Procesos de inters en alimentos con enzimas o clulas inmovilizadas Anlisis qulmico con enzimas Tecnologa de ADN recombinante aplicadaa la produccin y modificacin de enzimas de inters en alimentos Referencias bibliogrficas Capitulo 6 Vitaminas y nutrimentos inorgnicos Introduccin Contenido de vitaminas en los alimentos Contenido 268 268 269 269 269 269 270 272 275 275 278 279 281 283 285 285 286 289 290 290 292 294 296 299 301 311 316 318 326 329 330 332 333 337 341 341 344 be www.freelibros.org

12. X Vitaminas liposolubles Vitamina A Vitamina O Vitamina E Vitamina K Vitaminas hdrosolubles Tiamina(BJ Riboftavina (82) Vitamina S. Vitamina e,. Biotina Folatos Niacina cido pantotn.ico Vitamina e Compuestos asociados a las vitaminas Resumen de la estabfiidad de las vitaminas Nutrimentos inorgnicos o minerales C.lcio Fsforo Hierro Sodio Otros !IMnentos Referencias bibliogrficas Captulo 7 Pigmentos Introduccin Pigmentos naturales y sintticos Pigmentos naturales Pigmentos sint-ticos carotenoides Estructura y caracteristicasquimicas Carotenoides en alimentos Obtencin Estabidad Usos C&rotenoidM en la salud humana Oorofilas Estructura Efecto delprocesamiento Pigmentos fenllcos Ravonoides Antocianinas Taninos Oulmica de losalimentos 346 348 349 351 352 354 354 356 359 359 361 361 362 363 364 367 368 371 373 374 374 374 375 376 379 379 380 380 381 382 384 384 387 388 390 390 391 392 394 396 396 399 403 www.freelibros.org

13. Betalainas EslNCtUra Esllblldad Hemoplgmentos EstNcru.. Cotor en carne fresca. ~or de carne curada Otros pigmentos naturales Olrcuma cidoc:aimlnlco OulnoMS Xantonas Color caramelo Gluconato lwm>so Pigmentos de ongenmicrobiano Pigmentosde Oc:esode maslicacin Oec10do macromolkulasenla pen:epaondel sabor Microoncapsulacin y nanoemut.iones Materialesde empaque Mecanismosde la generacin de olores y sabores llloslntesls Ceneract6n de aromas por el efecto de tratamiento t'""leo Precursores y desarrollo del aroma y el sabor en alimentos Come y sus derivados leche y sus derivados Bebidasalcohlicas An41lsis de compuestos de aroma y sabor Elctrcc:l6ndecompuestos delaroma y el sabor ldent~ de compuestosdelaroma y el sabe< Aoferencias bibliogr6flc& Contenido 405 406 406 407 408 409 411 411 411 412 414 414 415 415 415 416 418 429 429 430 432 436 437 438 439 440 440 442 444 444 446 448 450 450 452 469 482 482 483 483 488 489 493 501 xi www.freelibros.org

14. xii Captulo 9 Aditivos Introduccin Aspectos legales Conservadores cidobenzoico y benzoatos kidosrblcoy sorbatos kldoactico y acetatos Parabenos kido propinicoy propionatos Sulfttos y dixido de azulTe Nitrlos y nitratos Antibiticos Pirocarbonato de dietilo Ep6xidos Otros conservadores Emulsionantes Polioles o potialcoholes Potenciadores del sabor Acidificantes. alcatini:zantesy reguladores de pH Secuestradores o quelantes Edulcorantes Gasificantes para panificacin Acondicionadoresde panificacin Antiaglomerantes Antiespumantes Colorantes Oarificantes Sustancias para masticar Humectantes Sustitutos de grasas Sabori:zantes Otros aditivos Referencias bibliogrficas Captulo 10 Estado de dispersin Introduccin aasilicacin de los coloides Estabilidad de tos coloides Soles Propiedadesreo!gicasde los soles Geles Espumas Oulmica de losalimentos 511 511 513 517 517 518 519 519 519 520 521 522 523 523 524 525 527 529 530 533 534 537 539 540 540 541 544 544 545 545 546 547 548 551 551 553 556 557 558 560 561 www.freelibros.org

15. Emulsiones Nuevas tendencias para elaborar alimentos emulsionados bajos en caloras Referencias bibliogrficas Captulo 11 Txicos presentes en los alimentos Introduccin Leguminosas Glucsidoscianognicos Promotores de flatulencia lnhlbidorM de proteasas como la tripsina Fitohemaglu~nnas Saponinas Favismo Cereales Toxinas producidas porhongos (micotoxinas) cido fitlco lnhibidoresde amilasas Bebidas estimulantes Pptidos. protefnas y aminocidos txicos Amatoxina y fa1otoxina lslanditoxina Toxina botulfnlca Toxinas de Stafi.tococcus sp. Selenoamino.cidos canavanina Mimosin.a Gosipol capsaicina Solanina y chaconina Sustancias promotoras de bocio Toxinas en mariscos y peces Saxitonlna Tetradoxina Antivitaminas Txicos presentes enla miel de abeja Compuestos txicosgenerados por proceso Compuestos producidospor altas temperaruras Racemizacin de aminocidosy formacin de isopptidos Formacin de aminas bigenas Fumigantes y disolventes Comentarlos finales Referencias bibliogrficas Contenido 563 567 569 571 571 572 572 574 575 576 576 576 577 577 582 583 583 584 584 585 586 586 586 587 587 588 588 589 590 591 591 592 593 593 595 595 601 602 602 603 606 xiii www.freelibros.org

16. lCiv Captulo 12 Leche Introduccin Composicin de la leche Upldos lactosa Protelnas Erulmos Vitaminas Sales y nutrimentos inorgnicos Algunas propiedades fsicas y quimicas de la leche Estado de dispersin de la leche Fase micelar Fase lipldica Productos lcteos leche pasteurizada. ultrapasteurizada y esterilizada Quesos Yogur Otros productos lcteos Referencias bibliogrficas Captulo 13 Soya Introduccin Protenas de la soya Formas comerciales de la soya Harinas Concentrados Aislados Propiedades funcionales Modificaciones de las proteinas Factores antifisiolgicos Soya y nutricin Mejora genticade la soya Referencias bibliogrficas Captulo 14 Alimentos transgnicos Introduccin lngenieria gentica y OGMs e.Cmo seobtiene una plantatransgnica?Una visingeneral El vector de transformacin y sus elementos Principales mtodos parala transferenciade genes Oulmica de losalimentos 611 611 612 613 615 617 623 624 625 625 626 626 628 628 629 633 636 636 638 641 641 643 646 646 648 649 651 653 653 654 656 657 661 661 662 662 663 665 www.freelibros.org

17. Los OGMscomerciales para la alimentacin RaV!Savr. el primeralimentoCM Cultivos CM n el come'l"Cio inte-maciona.1 OCMs en Mxico MicroorganismosGM para produccindeenzimas auxiiares deproceso PecesCM destinadosa laalimentacin OGMs en desarrollo CG.Msde segunda generacin MicroorganismosGM para mejorar ta composicinnutrimental de los alimentos y/o SU$cualidades organolpticas CGMsde tercera generacin Animales domsticosCM Anlisis de riesgos y marco regulatorio Anlisis de riesgos aplicadosa OGMs EvaJuacin de la inocuidad delos atirnentos transgnicos Marco reguhnorto enmateria de bioseguridad. El caso de Mxico Mtodos de deteccin de OCMs en alimentos El enfoquedelas proteinas El enfoquedel ADN Conclusiones Referencias bibliogrficas Capitulo 15 Nutracuticos, fitoqumicos y alimentos funcionales Introduccin Oxidacin celular Nutracutlcos Fitoquimicos Carotenoides l'olifenoles OevadosazuITados Fltoesteroles Otros nutracutcos Ptobl6ticos y prebl6tteos Arninoddos y prote1nas Hidratos de carbono Upidos Vitaminas y minerales Resumen de su funcin biolgica Antioxidantes Saludcardiovascular Anticance~geno Diabetes Contenido 669 669 670 674 675 676 677 677 682 682 683 684 684 686 688 688 689 691 694 696 701 701 702 702 703 704 704 705 706 706 706 707 707 708 708 708 709 709 709 709 XV www.freelibros.org

18. xvl e-gla Redlcd6n de peso Sistema nervioso Sistema 6seo Salud cerebral Otras funciones de los nutrac&uticos Allmentos funcionales Referencias bbliogr.licas ndice Q.ifmica delos aumentos 710 710 711 711 711 711 712 713 717 www.freelibros.org

19. Introduccin L a ciencia de los alimentos es un rea mutidisciplinaria, integrada por la qumica, la biologa, la microbiologa y la ingeniera, que en las ltimas dcadas ha cobrado gran relevancia. Para el estudio de los alimentos a lo largo de toda la cadena alimentaria, es decir, desde la produccin primaria, su procesamiento, conservacin, preparacin y puesta del producto final en la mesa del comensal, se requiere de importantes conocimientos sobre qumica. Los ingenieros, los qumicos, los bioqumicos, los chefs y, en general, roda profesio nal dedicado a esta actividad debe conocer estos principios. Tudas los alimentos estn constituidos por distintas proporciones de agua, hidratos de carbono, proteinas, lpidos, enzimas, vitaminas, minerales, pigmentos, sabores, aromas y diversos agentes bioactivos; las interacciones fisicas y qumicas queocurren entre ellos. y con el medio ambiente que los rodea, determinan la calidad de los cinco atriburos quese buscan al consumir un producto: color, sabor, textura, valor nutritivo y seguridad o inocuidad. cada uno de los componentes delos alimentos ene una reactividad que es importante conocer; en algunos casos, sta se refleja muy positivamente al hacer comestible un grano duro de cereal o de leguminosa; en otros, lo notamos por un color indeseable, como en los aguacates o en los plfltanos, o porel endurecimiento de la came; y en algunos mils,se refleja en la sntesis de compuestos con potencia1txico. En los ltimos aos se ha acrecentado considerablemente el cmulo de conocimientos e investigaciones sobre la qumica de los alimentos, de tal forma que en la actualidad pode- mos encontrar profesionales muy especializados dedicados al estudio de cada uno de estos componentes. No hay duda que seseguir generando informacin muy valiosa sobre la qu.mica de los alimentos, la cual incluiremos en lassiguientes ediciones de este libro. xvii www.freelibros.org

21. Prlogo A partir del 2006, ao de la ltima edicin de este texto, seha generado mucha informa. cin cientfica y tecnolgica sobre la ciencia de los alimentos, incluyendo, obviamen- te, la qumica. De hecho, muchos delos conceptos que en ese momento aparecan por primera vez, ahora son muy comunes. La nanotecnologa, los fitoqurnicos, los nutracuticos, la protemica, la nutrigenmica, la gastronoma molecular, y muchos otros, son ahora trminos de uso general; de igual forma, han surgido muchos aditivos con aplicaciones ms novedosas. La estructura de esta nueva edicin se mantiene, pero hemos revisado con detalle yac- tualizado el conocimiento que tenamos de cada uno de los componentes de los alimentos: agua, hidratos de carbono, protenas, lipidos, enzimas, vitaminas, minerales, pigmentos, y los responsables del sabory aroma. Lo mismo hicimos con los captulos sobre aditivos, el estado de dispersin y el de los txicos. La leche y la soya se conservan como ejemplos de aplicacin de los conceptos explicados en otras secciones del libro. La ingenietia gentica sigue su avance espectacular, razn porla cual enriquecimos la seccin sobre alimentos rransgnicos. Finalmente, y debido a la gran relevancia que ha adquirido en los ltimos aos, inclui- mos un captulo nuevo, sobre fitoqurnicos y nutracuticos, muchos de los cuales siguen en estudio causando grandes controversias. 1 www.freelibros.org

23. Salvador Badui Dergal Agua Introduccin J unto con Jos hidratos de carbono, las protenas y Jos lpidos, el agua es uno de los cuatro macrocomponentes que integran todos los alimentos que el hombre consume. En algunos casos representa 95.2% (v. gr. pepino) y en otros slo 2.5% Qeche en polvo) del producto comesnble, como muestra el cuadro 1.1; en la sal yel azcarde mesa el contenido de agua es prcticamente cero. La frescura de las frutas, de las verduras y de Jos crnicos siempre se relaciona con su alta proporcin de agua que, en la mayora de los casos, es al menos de 60%; de igual manera, Jos microorganismos -bacterias, bongos y levaduras- la contienen eo un porcentaje muy elevado. 3 www.freelibros.org

24. Oulmica de losalimentos CUADRO U Contenido aproximado de agua de algunos alimentos" leche entera en polvo 2.5 Papa 79.9 Chicharrn 2.6 Guayaba 80.5 Maz blanco 10.6 Olabacano 85.0 F'Iijol negro 12.0 Papaya 87.1 Bolillo 25.0 Zanahoria 88.0 'lbnilla 53.8 Br6coli 88.1 Jamn 55.3 Naranja Uugo) 88.5 Masa para tonilla 62.2 Cebolla blanca 88.6 QJeso fresco 62.7 T..eche 89.2 carne de cerdo 65.0 Fresa 89.7 ~acate 69.5 Nopal 90.1 camede res 71.6 Olile jalapeo 90.3 Atano 73.2 Sanda 90.9 Lecheevaporada 74.0 Jitomate 92.8 Huevo 74.3 Lechuga romana 94.3 Mojana 78.7 Pepino 95.2 El agua es fundamental para cualquier forma de vida biolgicamente activa, sea una bacteria, el ser humano o un elefante; su importancia es tal que sin ella la vida en nuestro planeta no sera posible. Sin embargo, con frecuencia no se le considera un nutrimento, como sf ocurre con los hidratos de carbono, las protenas y los lpidos, debido a que prcticamente no sufre cambios qumicos durante su aprovechamiento en el organismo humano. Desempea un gran nmero de funciones biolgicas a partir de su capacidad para trans- portarsustancias, disolverotrasy mantenerlas tanto en solucin como en suspensin coloi- dal, adems de su reactividad qumica alintervenir en reacciones enzimticas de hidrlisis y, sobre todo, en la fotosntesis; es decir, participa activamente en la sntesis de glucosa a partir de co,. monosacrido vital para la vida y que a su vez da origen a polisacridos, protenas, etctera.' luz solar C02 +H20 glucosa Muchas macromolculas de inters biolgico, como las enzimas y los cidos nucle.icos, se vuelven activas slo cuando adquieren sus correspondientes estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, gracias a la interaccin que establecen con el agua. Lo anterior significa que las clulas animales y vegetales, as como los microorganismos, slo se desarrollan si encuentran las condiciones adecuadas en un medio en el que la actividad del agua es fundamenta!. El agua influye en las propiedades de los alimentos ystos, a su vez, con sus componentes influyen en las propiedades fisicas y qumicas del agua, como se explica ms adelante. la consistencia, textura y otras caracteristicas reolgjcas de los alimentos estn determina- das por la interaccin entre el agua y los macrocomponentes; adems, esto tambin repercute en su estabilidad qumica y microbiolgica. El agua es decisiva en todos los procedimientos de conservacin de los alimentos, entre ellos la concentracin, la deshidratacin, el congelamiento, la liofilizacin, el salado, el azucarado y la pasteurizan por alta presin;' de hecho, estos sistemas consisten pre- 4 samente en regular la actividad del agua para controlar tanto las reacciones qumicas y www.freelibros.org

25. Agua enzimticas, como el crecimiento microbiano. Sus propiedades sicoqumicas en los tres estados sicos que asume -liquido, slido y vapor- tales como calor de vaporizacin, el calor espefico y el punto de congelacin,entre otros, se deben tomaren cuenta en el diseo de todos estossistemas de conservacin." t Fuentes de agua para el ser humano Entre 60 y 70% del cuerpo humano de un adulto es agua y puede llegar hasta el 75% en los recin nacidos, aunque ciertos tejidos como huesos, cabellos y clientes la contienen escasa- mente. Es un disolvente lquido inerte, de pH neutro, que sirve de transporte en la sangre y la linfa y que regula la temperatura corporal; el organismo de un adulto requiere un mnimo aprox.imado de 2 500 mL diarios (segn la edad, el sexo, la actividad fsica, etc.) y la pierde continuamente por el sudor, la orina, la espiracin y las heces. El balance hidrico entre lo que pierde ylo queingiere, es fundamental para el buen funcionamiento de su organismo; la insolacin o la diarrea causan una prdida elevada de lquidos que, en caso de alcanzar 10% del total, puede causarle problemas muy serios. El vaporquese elimina porla espiracin depende tambin de la altitud del lugar; as(, en el rea metropolitana de la Ciudad de Mxico (2 260metrossobre el nivel del mar) se respira ms seguido que en la costa porque el oxgeno es ms escaso y en consecuencia se incrementala prdida de agua; adems,a menor presin atmosfrica el aire es seco y el agua se evapora ms fcilmente por los poros de la pieL El hombre puede vivir un mes sin alimentos, pero no ms de siete ellas sin agua. Para tener un adecuado balance se recomienda consumir 1 mL por cada kilocalotia (!

26. 6 Oulmica de losalimentos 9Propiedades del agua Su molcula est constituida por dos tomos de hidrgeno unidos en forma covalente a uno de oxgeno, es altamente polar, no es lineal ycrea estructuras tridimensionales debido a la hi- bridacin de las rbitas moleculares s ypdel oxgeno; las lsdel hidrgeno comparten dos elec- ttones con lashbridas sp'del oxgeno.A su vez, este elemento tiene un parde electrones libres considerados comodos fuerzas separadas que, juntocon los dos enlaces covalentes, establece una molcula con forma imaginaria de tetraedro"' (figura 1.1). Se observa que los radios de Van derwaals del hidrgeno y del oxgeno son de 0.12 nm (1.2 A) y 0.14 nm, respectivamente: que la longituddel enlace covalente es de 0.096 nm y que el ngulo formado es de 104.5. Figura 1.1 Representacin esquemtica de la molcula de agua:o) y b)estruc:tura retradrica imaginaria formada porlas rbitassp1 del o.>Clgeno;e) dimensiones de la molcula de agua. 6(-) 3(+) ) 6(+ cireccln delmomentodlpolar 6(-) '' '/' '' '' '' '' ' ' '' '/' ',/ , ' '' '// ' 'b} '''''' www.freelibros.org

27. Agua En el agua existe una diferencia de electronegatividades, debido a que el oxigeno tiene un gran poder de atracn por los electrones de los doshidrgenos, lo que ocasiona que s- tos desarrollen una carga parcial positiva6(+)temporal y que el tomo de oxgeno desarrolle una carga parcial doble negativa 2 8(-) temporal; esto hace que se produzca un momento dipolar muy fuerte, como un mini imn, cuya direcn se observa en la figura 1.1. Es decir, esta molcula no tiene una carga especifica, pero si un dipolo elctrico poteme que le permite crear puentes de hidrgeno estables con otras molculas iguales o diferentes, pero de naturaleza polar. El momento dipolar que se establece se observa como una orientacin de la molcula en un campo elctrico con Ja parte negativa haa elnodo y Ja positiva hacia el ctodo."' Puentes de hidrgeno El puente de hidrgeno no es propiamente un enlace qumico, sino una atraccin electrosttica que se produce cuando dos tomos negativos de compuestos polares se unen mediante uno de hidrgeno, de tal manera que slo participan los elementos ms electronegativos, como el oxgeno (figura 1.2), aun cuando tambin interviene el nitrgeno y otros. Esta atrac- n electrosttica es muy dbil (20kJ/mol o 4.7 Kcal/mol), comparada con el enlace covalente (400kJ/molo 95 Kcal/mol), y su vida media es de 10 11 segundos; sin embargo, como todas las molculas de agua tienen Ja capacidad de establecerla en un momento especfico, en conjunto representan una gran fuerza.Tuoto el nmero de estas uniones como la longitud del puente de hidrogeno entre molculas vecinas (v. gr. 0.276 nm o 2.76 A.en la figura 1.2a) se ve afectado por la temperatura; esto se refleja, por ejemplo, en la densidad del agua que se incrementa a medida que interaconan ms molculas a una menor distancia y alcanza un mximo a 3.98 C. Figura 12 PUentesde hidrgeno entremolculasde agua: a) las molculas 1, 2 yla central sehallan en el plano del papel; la 3 est porencima de l y la 4 detrsdel plano; b) interaccin de molculasde agua a travsde puentes de hidrgeno, y e)laspuentesde hidrogenoentre molculas de agua producen una estructura imaginaria tetradrica con el oxgenoal centro. molcula de $QUB { 7 www.freelibros.org

28. 8 Oulmica de losalimentos Debido a sus cargas parciales,la molcula de agua tiene dos sitios receptores y dos donadores de electrones, por lo que su interaccin mediante puentes de hidrgeno crea grandes estructuras tridimensionales estables en el hielo y en el agua liquida, responsables de sus propiedades fsicas tan peculiares que se explican m~ adelante. Las molculas como NH,, que no tienen igual nmero de receptores y de donadores (1 y 3, respectivamente), slo for man estructuras bidimensionales y no tridimensionales. Cabe sealarque los puentes de hidrgeno no slo se inducen en el agua, sino en cual- quiersustancia que tenga caracteristicas polares, como las protenas y Jos hidratos de carbono,gracias a sus diversos grupos hidrfilos (figura 1.3). Mediante este mecanismo, los polmeros y algunos compuestos de bajo peso molecular retienen agua y le confieren a los alimentos propiedades reolgicas muy especiales.Con base en esto, el agua de los tejidos vegetal y ani malse retiene (se hidratan), Jo que se manifiesta en su frescura y crujenc:ia; Jos soles, los geles y otras texturas similares (vea el captulo 10) se crean por las interacciones que establecen los macrocomponentes de los alimentos con el agua. Las temperaturas bajas favorecen la formacin de puentes de hidrgeno, mientras que las altas los destruyen; por esta razn, de manera simplificada se considera que en el hielo 100% de las molculas establecen puentes de hidrgeno, y que en el vapor este porcentaje es cero. La funcin biolgica del hombre se efecta alrededor de los 37 e, temperarura en Ja que se produce de 35-45% de los puentes de hidrgeno; por lo tanto, hay relacin entre la estructura del agua en estas condiciones y la facilidad para que se lleven a cabo las reacciones que sustentan la vida. .:>Propiedades fisicoqu{mcas Debido a la formacin de estructuras tridimensionales mediante puentes de hidrgeno, el agua muestra propiedades que resaltan al compararlas con hidruros del mismo grupo de la tabla peridica a la que pertenece el oxgeno. Por ejemplo, H20, H,S, H2Se y H2Te tienen puntos de ebullicin de 100, -61, -42 y -2 (C), respectivamente; el agua con el menorpesomolecularpresenta valores depuntosde fusin y ebullicin queno corresponden a la serie,y que son superiores a Jos del resto del grupo. Si se siguiera una relacin ma- temtica de acuerdo con los pesos moleculares, el agua tendria que fundir a -150 e y hervir a -80 e,porlo que en las condiciones ambientales normales siempre seria un gas. Figura 1.3 Formacin de puentesde hidrgeno con hidratos de carbono, protelnas y cidos grasos. 1hidratos de carbono 1 1( roteinas 1 1 1cidos!grasos 1 1 1 e o s NH Cs O 11 1 1 1 1 9 l;t l;t l;t OH ..H 1 o o o / / / jo H H H H H H "H www.freelibros.org

29. Agua No lo es. precisamente, por una fuene cohesin interna debida a los puentes de hidrgeno; de los cuatro hidruros, el del oxgeno es el nko que se encuentra en estado liquido a la temperatura en que se desarrolla la vida en nuestro planeta (10-50 c. aproximadamente). Sus propiedades fisicoqulmicas como el calor de vaporizacin, el calorespecifico, la conductividad, las propiedades dielctricas, etc.,son pormucho muypeculiares y muy distintas a las de molculas semejantes. Por ejemplo, su elevado calor latente de vaporizacin (2 260 k)/g o 539 Kcal/g), representa la energa necesaria para transformar 1kg de agua liquida en vapor a 100 e y la que se requiere para romper las fuerzas atractivas, de tal manera que las molculas individual mente puedan escapary pasar a la fase gaseosa.Para comparar yentender mejor este valor. cabe sealar que el metano], el etanol, la acetona y el cloroformo (todos ellos disolventes orgnicos comunes), presentan calores de vaporizacin inferiores: 263, 205, 125 y 59 Kcal/g, respectivamente. El alto valor indica que se necesita mucha energia para vaporizar un poco de agua (como en Ja concentracin y deshidratacin de alimentos), o que la vaporizacin de pequeas cantidades de ella es suficiente para sustraer mucho calor, Jo que explica por qu la vaporizacin delsudores responsable de la mayor parre del calor perdido por un organismo que sirve de mecanismo de enfriamiento. El proceso inverso al de la evaporacin, la condensacin, es exotrmico y lbera una cantidad semejante de calor, caracterstica que se aprovecha para calentar los alimentos en los procesos de esterilizacin de enlatados. Porotra parre, es necesario disipar 333.7 k,J/go 79.7 KcaVg (calorlatente de fusin). para cambiar el agua lquida a hielo a Oe;esta propiedad se hace patente cuando se enfran las bebidas con hielo, ya que a medida que ste se funde, sustrae mucha cantidad de energa del lquido. Como vapor, el agua sigue la ley de los gases ideales, PV nRT(P, presin; v; volumen, n, nmero de molculas, R, constante y T. temperatura), que muestra la relacin de la presin y la temperatura; una aplicacin de este principio es con el enlatado de los alimentos no cidos, cuyo calentamiento externo causa que la presin interna se incremente y. en consecuencia, su temperatura alcance la esterilizacin comercial a 121 e (250 F). Su alto calor especfico (4.186 k]/g K o 1 caVg Ca 20 C) indica que se requiere aplicar mucha energa para incrementar su temperatura.ya que una buena proporcin se consume en vibrar la molcula debido a su gran momento dipolar ya romperlos puentes dehidrgeno, pero no a calentarla. cuando se suministra energa trmica a los lquidos en los que no existen puentes de hidrgeno, la cintica de las molculas aumenta fcilmente y, portanto, la temperatura. Por esta razn, el agua es menos efectiva como medio de calentamiento que los aceites de cocina, que adems de tener un calor especfico menor de 1.97 kJ/g 'K o 0.47 Kcal/g e, pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100e (necesarias para el fredo), que es la mxima que se alcanza con el agua lquida a presin atmosfrica. Otra implicacin del alto valor de este parmetro se da en la regulacin de la temperatura del cuerpo humano, ya que provoca que el agua absorba el calor cuando hay cambios bruscos externos, sin afectar la temperatura interna; en forrna semejante, tambjn es la causa de que los mares y ocanos acten como reguladores trmicos del planeta. Su gran dipolo es fundamental para calentar Jos alimentos en horno de microondas (9152 450 MHz), ya que al producir una oscilacin y friccin permanente en las molculas, se induce un aumento de la temperatura. La ionizacin del agua pura es mnima, pero influye en la formacin del H,o causada por la adicin de cidos, lo que a su vez repercute en la reduccin del pH de la solucin. Como disolvente, el agua tiene infinidad de aplicaciones en la naturaleza (existen diso luciones como ocanos, mares, lagos, os, etc.), igual que en los alimentos, en el plasma san 9 www.freelibros.org

30. 10 Oulmica de losalimentos guneo y en la orina, que desempean un papel vital para el cuerpo humano. Muchas sales y compuestos inicos y no inicos slo se solubili2an en agua y nunca en disolventes apo- Jares (cloroformo, benceno, etc.) o en grasas. Los cristales de NaCl son estables por las fuertes atracciones eleetrostticas entre sus iones positivo y negativo; mientras ms fuerte sea la unin, ms energfa se requerir para la separacin. El agua es capaz de disolver estos cristales debido a la intensa fuerza que se crea entre su dipolo y los iones de sodio y cloro, lo que provoca la produccin de Na y el_ altamente hidratados; esa interrelacin es mayor que la tendencia a Ja unin de Jos dos iones para restablecer Ja sal (figura 1.4). Esta hidratacin depende de la densidad de carga, que es igual a la carga total dividida entre el radio inico; para una misma carga, la retencin de agua es mayor en los iones pequeos que en Jos grandes; la hidratacin del K es menorque Ja del Na, ya que el radio del primero es mayor y, en consecuencia, su densidad de carga es menor. Es precisamente Ja gran capacidad de hidratacin del sodio la causante de Jos problemas de hipertensin que provoca el consumo excesivo de sal (vea el captulo 6). El agua es un buen disolvente debido a su alta constante dielctrica, D, que por defini- cin es una medida de la tendencia del disolvente a oponerse a las fuerzas electrostticas de atraccin Fentre iones con carga opuesta: F=e,e, Dr' dondee,y e,son Jos iones yres la distancia entre ellos.Elvalor Dpara elagua esmuyalto(80a 20 'C),comparadocon elde otrosdisolventes: metano!,33; etanol,24; acetona,21; benceno, 2, e indica que la fuerza de atraccin entre Na y c1- es solamente de 1/4-0 de la que existe con el benceno; por lo tanto, el agua favorece 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, alco- holes, aldehdos, cetonas,aminocidos, etc., que contienen grupos carbonilo, amino, hidroxilo o carboxilo que fcilmente interaccionan con ella porpuentes de hidrgeno. Este mecanismo es el 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 esas uniones (figura 1.3). Cabe indicar que la disolucin se efecta cuando la concentracin del agua es superior a la del soluto; sin embargo, cuando sta es baja las sustancias no se disuelven, slo se hidratan y forman fluidos muy viscosos o incluso geles, en los que el l!quido queda retenido mmbin por puentes de hidrgeno en una red tridimensional (vea el captulo 10). Figura 1.4 Hidratacindel cloruro desodio (NaQ). .. e {;:: o- v ...H+/ "-w .. .. www.freelibros.org

31. Agua Las molculas de agua que estn en contacto con el aire se componan de manera distinta de las que no Jo estn, ya que actan como una pelcula elstica sobre Ja que un insecto puede posarse en Ja superficie sin hundirse; esto es resultado de las fuerzas internas entre molculas y se refleja en el fenmeno de tensin superficial. En la figura 1.5 se observa que mientras las molculas internas interaetan de forma homognea entre ellas, las que estn en contacto con el aire slo tienden puentes de hidrgeno hacia el interior (el agua), y no hacia el exterior (el aire). Este comportamiento dificulta la humectacin de polvos, ya que hay que venceruna alta tensin superficial de lainterfase agua/aire de 73 di- nas/cm, a 20 c. 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 aderezos y otras emulsiones, o al suministro de energa mecnica (agitacin, homogeneizacin), para formar dispersiones coloidales estables. De igual manera, el caf y el t reducen Ja tensin superficial del agua y provocan que al hervirla se formen burbujas que incluso se derraman del recipiente. t Estados fsicos del agua Como vimos antes, el agua existe en forma de vapor, de liquido o de slido, dependiendo de Ja cantidad de puentes de hidrgeno que establezca internamente; la interrelacin que se presenta entre estos tres estados fisicos de Ja materiase muestra en el diagrama de fases de la figura 1.6 y que dependen de la temperatura y la presin. Figura 1.5 Representacin esquemtica de la interaccin agua-aire, las flechas indican los puentes de hidrgeno. aire /interfase ~~ agua 11 www.freelibros.org

32. Figura 1.6 Diagrama de fase; del agua. !f E E 1300 "160 585 4.5 11 Oulmica de los alimentos 111 e -20 o 65 100 120 '" -C lemnaratura92.8 ~ a: ponotj>le (0.01 , 4.5) b: evaporacin al vacloparafabricar mennelada.$ (65, 470) e: ebullicin del agua en la Ciudadde Mxico (92.B, 585) d: ellollk:in del agua a meldel mar (100, 760) e: olla a presin yestelizacin industrial (120, 1,300) f: uttrapastauzaci6n da la leche (140, > 1,300) ~: ruta da la lloliltzacln Se observa que las curvas 1, 11y111 delimitan cada uno de estos estados y que se cruzan en el llamado punto triple que se alcanza a 0.01 e y 4.5 mm Hg, donde tericamente con- viven el hielo, el agua liquida y el vapor. A760 mm Hg de presin, que corresponden al nivel del mar, el agua hierve a 100 'C, mientras que a 585 mm Hg, que es la presin de la Ciudad de Mxico por encontrarse a poco ms de 2 200 msnm, hierve a 92.8 C. El agua liquida se evapora, es decir, cruza la curva 11 de izquierda a derecha a 100 C; para evaporarse ydes- prenderse a la atmsfera, sus molculas gaseosas deben vencer la presin que ejerce sobre ellas una columna de aire de 160 km de altura, aproximadamente, que equivale a la presin atmosfrica a nivel del mar; la densidad del aire es muy baja, pero la cantidad acumulada por centmetro cuadrado a esta altura es considerable. En general, la ebullicin disminuye 1 e por cada 300 m de altirud, razn porla cual en algunas poblaciones de Sudamrica a 4 000 msnm se alcanza a 86 e, mientras que en el monte verest se logra a 71 e (temperatura mnima para cocerun huevo). El efecto opuesto se observaen la olla a presin que alcanza 1 300a 1 500 mm Hg, presin superiora la atrnos- 12 frica, lo que provoca que el agua hierva a 120 C; en trminos de altitud, el agua hervirla a www.freelibros.org

33. Agua 120e en un punro ubicado a 6 000 m {300 x 20) bajo el nivel del mar. Adems del efecto de la presin, Ja temperatura de ebullicin se incrementa ligeramente con laadicin de sustancias de bajo peso molecular, como sal o azcar; porejemplo, 20g de sal {2%) por litro de agua slo la aumenta 1 C. En contraste, el cruce de la curva 11 de derecha a izquierda representa la condensacin, como se observa al hervir el agua y cuyo vaporse condensa en pequeas gotas al contacto con una superficie fra. Algo semejante ocurre en la parte externa de un vaso con hielo en un ambiente hmedo de playa,o con los anteojos al entrara una zona hmeda y caliente. Al continuar de derecha a izquierda y cruzar la curva 1, ocurre el congelamiento y la formacin de hielo. Esta estructura slida es ordenada ysimtrica y las molculas de agua estn unidas por puentes de hidrgeno, lo que resulta en una reduccin de la entropa; cada molcula de agua interacciona con otras cuatro y establece enlaces de una distancia oxgeno-oxgeno de 2.76Ayun ngulo de unin de 109, muy cercano al del tetraedro perfecto de 109'20', lo que evita tensiones en Ja estructura. Los oxgenos interaccionan de tal manera que generan planos paralelos de agua, segn la figura 1.7, y hacen que el hielo adquiera un arreglo hexagonal simtrico en donde cada vrtice est representado por un tomo de oxgeno. En el descongelamiento, Ja estructura cristalina desaparece y, a medida queel hielo se funde, una molcula de agua puede ligar otras cuatro o ms, al reducirse la distancia entre ellas, lo que trae consigo una mayor fuerza de unin y un aumento de densidad mximo a 3.98 'C; 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 Oe, slo se rompe 10% de lospuentes de hidrgeno. Las diferencias entrelas estructuras del agua y del hielo se reflejan en diversas propiedades, como Ja conductividad trmica; el hielo es ms conductor con un valor de 2 240 J/m s K (5.3 cal/cm s q, que es cuatro veces el del agua. El hielo flota en el agua, ya que su densidad es de 0.9168 g/crn' a Oe, mientras que la del agua a Ja misma temperatura es de 0.9998, y a 20 e de 0.9982. La temperatura de congelacin disminuye con Ja sal, el azcary otras molculas pequeas, efecto que se observa Figura 1.7 a) Estructura hexagonal de Jos cristales de hielo formados mediante puentes de hidrgenoentre molculasde agua y b)planos paralelosde las rrolculas de hielo. a) 13 www.freelibros.org

34. Oulmica de losalimentos en distintas instancias; por ejemplo los vegetales frescos con alta humedad tambin tienen sales, glucosa y cidos orgnicos que reducen 1a 2 esu congelamiento con respecto al agua pura; los peces de aguas glidas no se congelan debido a que sus tejidos concentran muchas sustancias nitrogenadas de bajo peso molecular; en los trozos grandes de carne, como la de pavo, se encuen0'3 una proporcin de agua des a 10% en la que se concentran las molculas pequeas yno se congela ni a -20'C; el marcontiene 3%o ms desal que conserva el agua en forma lquida aun a Oe; la alta concentracin de salen las salmueras permite mantener temperaturas bajas que se aprovechan para enfriarbebidas y helados. Son muy comunes los procesos caseroso industriales que implican cruces delas curvas ly n(congelamiento, descongelamiento,evaporacin y condensacin), pero es ms complejo llevar a cabo aquellos en los que se involucra la curva lll. A una presin inferior al punto triple, el hielo se conviene en gas sin pasar por lquido mediante la sublimacin, que es la base de la liofilizacin que se lleva a cabo siguiendo la ruta g-h-i-j; el primer paso consiste en la congelacin rpjda del producto (u gr. a -20 e o menos) para producir hielo amorfo, sin redes estructuradas tpicas de los cristales (h); le sigue una fuene reduccin de la presin por debajo del punto triple (i) y, por ltimo, se aplica una pequea cantidad de calor porra- diacin suficiente para lasublimacin lYa que enla sublimacin se emplean temperaturas bajas, el alimento no sufre daos trmicos, y los grupos hidrfilos que retienen agua no se ven afectados; la rehidratacin de los liofilizados es muy sencilla, y con ella se obtienen vegetales, t,caf, carnes y otros alimentos con propiedades sensoriales (aroma, textura, sabor, etc.) y contenido vitamnico muy semejantes a los de las materias primas. La sublimacin tambin se observa con el llamado hielo seco, slido, que en realidad es bixido de carbono comprimido a - 78 e, y que se transforma en gas sin dejar residuo lquido. t Efecto de los solutos en el agua Como se haindicado, la presencia desolutos causa cambios importantesen la estructura del agua que se reflejan en sus propiedades coli,gativas, tales como la depresin de la temperarura 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- Por ejemplo, la sacarosa absorbe caloral disolverse en agua y su solubilidadaumenta con la temperatura; por su parte, el NaCI casi no absorbe calor y por tanto no se ve afectado por el incremento de temperatura. El estudio de las disoluciones 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 los alimentos. Las desviaciones de esta ley se deben a muchas causas, entre otras a que los solutos tienen interaccionesy forman complejos con ellos mismos o con otros pollmeros, 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, At, es proporcionala la concentracin del soluto: At = Kn p donde K, es una constante del disolvente, nson los moles de soluto (g/pm) y p el peso del 14 disolvente. www.freelibros.org

35. Agua Se deduce que para la misma cantidad de un soluto, el de menor peso molecular provocar una reduccin mayor; puesto que un mol es igual a la cantidad en gramos dividida entre el peso molecular. Por ejemplo, el pm efectivo de los compuestos responsables de este abatimiento en Ja leche descremada es de 342, que corresponde a la lactosa, mientras que en losjugos de uva y de jitomate es de 180, que es de la glucosa.' 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 congelacin como en el aumento de la de ebullicin: un mol de sacarosa (no inico) disuelto en 1 000 g de agua reduce 1.86 C el congelamiento e incrementa 0.52 e Ja ebullicin; para el NaCI (inico), estas cifras se convierten en 3.72 e y 1.04 e, respectivamente; por este 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 baja que se alcanza con soluciones de sal es de -21 e, 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 en condiciones normales hierve un lquido es di- rectamente proporcional a la concentracin delsoluto aadido,e inversamente proporcional a su peso molecular. La medicin de la depresin de la temperatura de congelamiento se usa comocontrol de calidad para la leche, ya que las sustancias de bajo peso molecular, como lactosa y algunas sales en una concentracin constante, hace que congele en un intervalo cerrado de alrededor de - 0.54 e; la determinacin se efecta en el criscopo y se hace de manera rutinaria para cuantificar posibles adulteraciones (vea el captulo 12). Al reducir la temperatura de congelamiento, los solutos tambin afectan la presin de vapor y porlo tanto la actividad del agua; este hecho se ha aprovechado para relacionaram- bos parmetros en soluciones acuosas binarias muysimples, de tal forma que con ese punto de congelamiento se deduce el valorde la actividad del agua." Los grupos noinicos 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 yla fenilalanina, inhiben la formacin y la estabilizacin de las estructuras acuosas. Por el contrario, los solutos no polares como hidrocarburos, cidos grasos, algunos aminocidos,etc., al no disolverse,favorecen las formas estables de agregadoso clarratos en Jos que los solutos se localizan en los espacios vacos, Jo que obliga a las molculas de agua a interactuar ms fuene y ordenadamente. Por otra parte, cuando el agua y una solucin se separan por una membrana semi- permeable (permeable al disolvente y no al soluto), la tendencia es que el agua pase a Ja solucin hasta que el equilibrio de concentraciones se alcance en los dos sistemas. A la presin requerida para que esto suceda se le llama presin osmtica y aumenta con Ja concentracin de lossolutos disueltos. Gracias a esto las clulas de los vegetales marchi- tos (v. gr. zanahorias y naranjas) recuperan su frescura cuando se remojan, sobre todo en agua fria ya que la hemicelulosa de sus paredes celulares se hidrata nuevamente y sehace ms rgido y turgente al vegetal. Este efecto tambin se observa en los microorganismos, que se destruyen cuando se someten a una alta presin osmtica por algn tiempo, princi pio que se usa como medio de conservacin de alimentos ricos en azcares (mermeladas) o en sal (encunidos). 15 www.freelibros.org

36. 9Distribucin del agua en los alimentos Oulmica de losalimentos Es un hecho que el total del aguacontenida en un alimento no est distribuida de forma ho- rrognea, como ocurre en los tejidos de frutas, verduras y crnicos. Esta heterogeneidad se debe a las distintas interacciones que ocurren ent.re el liquido y los macrocomponentes, a la formacin de microcapilares y a su rechazo por parte de los lipidos. Por este motivo, dentro del alimentoexisten fracciones de agua que se comportan de diferente manera; por ejemplo, en general un alimento se congela a -20 e,pero aun en estas condiciones una fraccin del agua permanece lquida porconcentrarsolutos de bajo peso molecular y requiere de temperaturas ms bajas, de -40 e, para que solidifique por completo. Para entender mejor este comportamiento del agua, considrese una molcula de almidn completamente seca con un gran nmero de hidroxilos libres capaces de retener agua por medio de puentes de hidrgeno; si se cubriera con una sola capa del disolvente, se necesitarla 0.01 gde H,O porgramo de slido, cantidad suficiente para formar una capa monomolecular llamada BET (en honor de Stephen Brunauer, Paul H. Emmetty Edward Teller); esta cifra es de 0.01, 0.06 y 0.03 g/g de slido para la gelatina, la lactosa amorfa y la leche en polvo, respectivamente. Esta agua est unida a lasuperficie seca, su fugacidad esbaja y en consecuencia su presin de vapor es reducida. Si se sigue aadiendo liquido, se construirn capas superiores sobre la monomolecular. !;;n este esquema tan sencillo y expuesto slo con fines didcticos, el agua de las capas ms internas se considerara como "ligada" que corresponde de 3 a 6% del agua total, mientras que la de las ms externas, como"libre'. En realidad no existe ninguno de estos tipos de agua, ya que aun la ms fuertemente ligada, que incluye a la capa monomolecular, tiene cierta movilidad puesto que ejerce una presin de vapor mensurable. De igual manera, no hay agua totalmente libre debido a que tambin est unida a otras molculas de su misma especie o a otros constituyentes que la estabilizan y la retienen en el alimento; no es libre puesto que no se libera del alimento (v. gr. frutas y hortalizas), cuando se somete a esfuerzos mecnicos ligeros y no fluye cuando se corta un trozo de carne fresca, incluso en tamaos minsculos. la capacidad de retencin de agua de las protelnas y los polisacridos, principalmente, se define como la cantidad de liquido que puede quedar atrapado en una red, sin que exista exudacin o sinresis; en cada caso este parmetro varia en funcin del tipo de alimento." Para efectos estrictamente didcticos y con datos generales, se ba elaborado la figura 1.8, en la que se aprecian tres zonas hipotticas en las que se puede dividir el agua contenida en un producto. La que integra Ja zona 11! se considera "libre', se encuentra en macrocapi lares y forma parte de las soluciones que disuelven las sustancias de bajo peso molecular, es la ms abundante, fcil de congelar y evaporar y su eliminacin reduce la actividad del agua a 0.8. En la zona 11, el agua se localiza en diferentes capas ms estructuradas y en microcapilares; es ms dificil de quitar que la anterior, pero al lograrlo se obtienen valores de la actividad del agua de aproximadamente 0.25. Esta fraccin corresponderla, junto con la rronocapa, al agua "ligada. Por ltimo, el agua en la zona 1equivale a la capa monomolecular y es Ja ms dificil de eliminar en Jos procesos comerciales de secado; en algunos casos se puede reducir parcial- menteen 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 16 contra las reacciones de oxidacin de lipidos, porque acta como barrera del oxigeno. www.freelibros.org

37. Agua Figura 1.8 Cambios queocurren en Josalimentos en funcin deJa actividad del agua. a) oxidacin de Jfpidas; b) reacciones bidrolfticas;e) oscurecimientonoenzimtico; d) isoterma de adsorcin; e,) actividadenzimtica; f) crecimiento debongos; g) crecimiento de levaduras. y h) crecimiento debacterias. monocapa - zonal -l '.. ,_'... agua libre zona 11 !-zona 111- ~~;::.:..-1--..... ..:./ ..,,, b l 1.. ' . 'le I :'i I .: I .' / I ' ' I ' I ,/' I , ' I ,.' 1 I ..-- . I I I .' I /' , .g 111.,..c I I 1 .lll' I I J j I / S. : I 1 ~ ~ g1 ,' ts: lj I I f ,1.11 h I / i I I I 11' 0.1 0.2 0 .3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10 actividad acuosa t Actividad del agua Ya hemos explicado que el agua de los alimentos influye de diversas maneras: en la reologa, la textura, la estabilidad microbiana y las reacciones qumicas y enzimticas que se estudian en otros captulos. En este sentido, el agualibre es realmente la responsable de estainfluencia, ya que el agua ligada no acta porque no est disponible o permanece inmvil. El agua libre es la que da origen al trmino actividad del agua (Aa) yes con base en este parmetro, y no el contenido total de agua,que se puede predecirla estabilidad y la vida til de un producto."'' Sise considera una solucin ideal, delas que no existen muchas en alimentos, con solu - 1Ds en muy reducida concentracin, este trmino puede expresarse de la siguiente manera: donde: A" =_f_ =.!_:e_HR_ =__M_a~ P, 100 Ma +Ms f fugacidad del disolvente de la solucin f' = fugacidad del disolvente puro HR =humedad relativa P =presin de vapor del agua del alimento P0 presin de vapor del agua pura Ms moles de soluto (g/pm) Ma = moles de agua (g/18) P/P0 =presin de vapor relativa (Ec. 1) 17 www.freelibros.org

38. 18 Oulmica de losalimentos Termodinmicamente, la fugacidad es una medida de la tendencia de un liquido a es- caparse de una solucin; en virtud de que el vaporde agua se comporta como un gas ideal, se puede emplear la presin de vapor en Jugar de la fugacidad. Es decir, la Aa es directa- mente proporcional a la presin de vapor relativa segn la ecuacin (1) y debido a que es una relacin de dos presiones es adimensional. Sus valores varan desde 1.0 para el agua pura, hasta cero para un producto completamente seco. Estos dos parmetros slo son equivalentes en los extremos; es decir, a 0% de agua le corresponde una Aa de O.O y a 100% de agua una Aa de 1.0; no hay una correspondencia directa, ya que un producto con 80% de humedad no significa que tenga una Aa de 0.8. Por ejemplo, un queso fresco y una mermelada pueden contener el mismo 65% de agua, pero desarrollan una Aa distinta; el agua de la mermelada est ms unida a las pectinas de la fruta, no est tan "libre y por eso su Aa es de0.86,mientras que en el lcteo est ms disponible, lo que induce una Aa de 0.90.1 La actividaddel aguaes una propiedad intrnseca y se relaciona de manera no linealcon el contenido de humedad mediante las curvas o isotermas de adsorcin y desercin (figura 1.9). Para entender esto, considrese un alimento con agua, almacenado a una temperatura espedfica en una cmara hermticamente cerrada; al cabo de algn tiempo, su presin de 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 con- 1enido de agua del alimento. Esa humedad est en funcin del grado de interaccin de los oolutos con el agua, lo que es un reflejo de la facilidad de sta para escapar del alimento. 'Ilrnto los higrmetros como los manmetros miden la humedady la presin de vapor en el espacio de cabeza de Ja cmara. R'.lr consiguiente, se tendr un par de valores, de humedad relativa comparada con el contenido de agua. a una temperatura especfica; si esto se repite con diferentes porcenta- jes de agua y los resultados se grafican, se obtiene la isoterma de desercin (deshidratacin del slido). Por el contrario, si se parte de un producto seco yse somete a atmsferas de humedad relativa elevadas, se observar una transferencia de masa del gas al slido hasta llegara un equilibrio; al repetireste experimenro con diferentes humedades, se tendrn de nuevopares de valores que algraficarse crean la isoterma de adsorcin (hidratacin del slido). Figura 1.9 Curvas tlpicasde las isotennas de adsorcin ydesorcin de los alimentos. 100% hicltat9ci6n o 8ds0

39. Agua En la figura 1.9 se aprecia que para un contenido de humedad determinado,la actividad del agua es menor durante la desorcin que en la adsorcin o que para una 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-" Por ejemplo, la histresis se presenta con una prote(na hidratada que se seca en una atmsfera de humedad relativa de 35% y alcanza el equilibrio a un contenido de 10% de agua (curva de desorcin); porotra pane, si la misma protena totalmente deshidratada se coloca en esa atmsfera, adsorbe humedad y llega al equilibrio con tan slo 7% de agua. La isoterma de adsorcin representa la cintica con la que un alimento adsorbe humedad yse hidrata y es importante conocerla ya que refleja el comportamiento de los deshidra- tados almacenados en atmsferas hmedas (higroscopicidad). De manera semejante, la de desorcin equivale al proceso de deshidratacin y refleja la forma como pierde agua.16 Con base en ambas curvas se disean los sistemas de almacenamiento, de secado, de rehidratacin. etc., adem.s de que ayudan a predecir la estabilidad de los alimentos almacenados en distintas condiciones. En el cuadro 1.3 se muestra la variacin del porcentaje de humedad de equilibrio (o adsorcin) de diversos productos alsometerlos a atmsferas de humedadrelativa creciente; es claro que, a medida que aumenta la HR. tambin lo hace el contenido de agua pero segn una relacin no lineal. Por otra parte, la Aa se incrementa cuando se eleva la temperatura, ya que igualmente lo hace la presin de vapor."" como se observa en la figura 1.10; para ilustrar esto, consi- drense frutas semideshidratadas, no esterilizadas, con 45% de humedad, una Aa de 0.42 y empacadas en cajas de cartn equilibradas con la atmsfera a 20 e; durante su envio a los clientes, la temperatura del camin subi a 35 C y as permaneci por varias horas, de tal Figura 1.10 Influencia de Ja temperatura en lasisotermasdeadsorcin. .,. ~..-8 :8 1~+-~---,~-?f--7'-'-..:,.'--/ o 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 actividad dof agua 19 www.freelibros.org

40. 20 Oulmica de losalimentos CUADR01.3 Porcentaje de humedad de equfbrio a varias humedades relativas Humedad relativa (%) 10 30 so 70 90 Pan blanco 0.5 3.1 6.2 11.1 19.0 Galletas 2.1 3.3 s.o 8.3 14.9 Pastas S.1 8.8 11.7 16.2 22.1 Harinas 2.6 5.3 8.0 12.4 19.1 Almidn 2..2 S.2 7.4 9.2 12.7 Gelatina 0.7 2.8 4.9 7.6 11.4 manera que la Aa se desplaz de 0.42 original a casi 0.8, situacin en la que pueden crecer hongos y levaduras, adems de propiciarse algunas reacciones de deterioro en detrimento del producto. Como regla general, aunque dependiendo del alimento de que se trate, muy pequeas fluctuaciones de temperatura pueden ocasionar grandes modificaciones en la actividad del agua. La Aa tambin est en funcin de los slidos que contenga un alimento y para demos- trarlo se han desarrollado diversas relaciones lineales matemticas; es el caso del suero de la leche, cuya concentracin C (gramos de slido por 100 g de agua) es proporcional a la Aa mediante la ecuacin: Aa =0.999-0.000SSSC. Para este producto en particular,la lactosa ylas sales, y en menorgrado las protenas, son las que determinan los valores de Aa-" En el cuadro 1.4 se muestran los valores de Aa para diversos alimentos. Las frutas, las honalizas, la carne y muchos enlatados tienen 0.97 en promedio; en cambio, los productos deshldratados van de aproximadamente 0.3 a 0.6, mientras que los llamados alimentos de humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos extremos. Como hemos visto, un alimento puede tener la misma Aa y un contenido de agua distinto; de igual manera, para un mismo contenido de agua los valores de Aa pueden ser diferentes.' CUADRO 1.4 Actividad del agua de algunos alimentos Aa Frutas frescas y enlatadas 0.97 Verduras 0.97 Jugos 0.97 Huevos 0.97 Carne 0.97 Queso 0.95 Pan 0.94 Mermeladas 0.86 Frutas secas 0.73 Miel 0.70 Huevo en polvo 0.40 Galletas y cereales 0.35 Azcar 0.10 www.freelibros.org

41. Agua t Actividad del agua y estabilidad de los alimentos Los diversos mtodos de conservacin de alimentos se basan en el conrrol de una o ms de las variables que influyen en su estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de nutrimentos y de reactivos, potencial de oxidorreduccin y presencia de conservadores. En este sentido, la AQ. es de fundamental importancia y con base en ella se puede conocer el comportamiento de un producto. En la figura 1.11 aparece su relacin con el pH; la ubicacin del alimento en este sencillo diagrama da una indicacin clara de su estabilidad y contribuye a determinar la necesidad de tratamientos trmicos, de adicin de conservadores, etc., para prolongar la vida de anaquel del producto." Figura 1.11 Influencia de la Aay del pH en la estabilidad de losalimentos. Qa 1.0 CD @0.9 1. FMas y hortalizas enlaladas 20NADE BAJA 2. Leche y carnes frescas ESTABILIDAD 3. Quesos con afio contenido.,, de agua 0.8 4. Jamonas 1~ 0 S. Errt>utidos lermenlados ~~ 8. Quesos con bejO contenido @) de agua ~ !! 0.7 7. Mermeladasi .i;; 8. Salsas de lomate E 9. Leche condensada yJarabes~ @.. 10. FMas secas 0.6 11. Miel 12. PaslaS de trigo 13. Gallelas secas (productos @ con 5% de humedad) 0.5 14. Leche deshldtalada (ll'Qduclos con menos 20NADE de 5% de tunedad) ALTAESTABILIDAD @0.4 @ 0.3 alimentosilcidos no oidos 3.0 4.0 4.6 5.0 6.0 7.0 pH 21 www.freelibros.org

42. Oulmica de losalimentos En general, mientras ms alta sea la Aa y ms se acerque a 1.0, mayorser la inestabili- dad del alimento; por esta razn las carnes, frutas y vegetales frescos requieren refrigerarse para su conseivacin; en cambio, los alimentos estables a temperatura ambiente (excepto los tratados de forma trmica 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 vimos antes, la figura 1.8 muestra la influencia de la actividad del agua en varias de las reacciones qumicas y enzimticas que ocurren en los alimentos (oscurecimiento, rancidez, etc.),ascomo en elcrecimiento de hongos,levaduras y bacterias; pero adems, la Aa influye en la degradacin de vitaminas y pigmentos, prdida de lisina y otras transfor- maciones. Esta grfica varia mucho entre los distintos productos, de acuerdo con la composicin, la homogeneidad de la distribucin de los macrocomponentes, el tipo de reaccin o el crecimiento microbiano involucrado y otros factores, por lo que solamente es indicativa de las tendencias generales. La Aaafecta la velocidad deloscurecimientono enzimtico (vea el captulo 2),aun cuando cada azcar ciene un distinto poder reductory. en consecuencia, influye de manera diferente. En general, la energa de activacin y la temperatura requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua; la velocidad se acelera de 3 a 6 veces cuando la Aa pasa de 0.35 a 0.65 y hasta tres veces por cada 10 C de incremento. 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; al reduciran ms el agua, se pierde la movilidad de los reactivos y se inhibe la reaocin y por eso, en alimentos muy concentrados con azcares, es ms factible la caramelizacin que las reacciones de Maillard. Debido a la influencia del binomio actividad del agua-temperatura, en el secado es recomendable reducir la temperatura del aire al final del proceso para prevenir eloscurecimiento. La oxidacin de los aceites insaturados (vea el captulo 4) y de otras sustancias liposolubles como las vitaminas y varios pigmentos, est influida por la Aa de acuerdo con la figura 1.8; se observa un fuerte incremento por debajo de la monocapa, ocasionado por una falta de agua que proteja del oxgeno la superficie del alimento; despus disminuye con la humedad por formar esa capa protectora, para posteriormente aumentar de nuevo debido a que el agua favorece la movilidad de los metales que catalizan la reaccin para ponerse en contacto con el sustrato.u En las enzimas, el agua facilita la integracin de su centro activo, favorece la difusin de los reactivos e interviene como tal en las reacciones de hidrlisis. Cada enzima requiere una Aa para realizar su funcin; sin embargo, cuando el sustrato es liquido. como los aceites, las lipasas necesitan slo un mnimo de agua (vea el captulo 4), mientras que las carbohidrasas yproteasas requieren de Aa mayores en un intervalo muy amplio (v. gr. desde 0.4 hasta 0.95). Para su crecimiento, Jos microorganismos necesitan condiciones propicias de pH, nutrimentos, oxgeno, temperatura y actividad del agua;13 21 como regla general, esta ltima tendr que ser mayor a medida que los otros parmetros se vuelvan menos favorables. Por cada 0.1 unidades de aumento de Aa. el crecimiento microbiano puede incrementarse hasta en 100%. Los que ms agua requieren son las bacterias (Aa > 0.91), despus las levaduras (>0.88), yluego los hongos (>0.80); de todos, Jos patgenos son los que ms la necesitan pare su desarrollo, situacin contraria a las levaduras osmfilas (cuadro 1.5). Como regla, la Aa rrnima para producir toxinas es mayor que para el crecimiento microbiano. La reduccin de la disponibilidad de agua inhibe ese crecimiento, pero a su vez incrementa la resistencia trmica de los microorganismos, lo que indica que para destruirlos es mejor el calorhmedo que el calorseco. Los microorganismos responden a una baja humedad, lo que prolonga su 22 fase inicial, baja la fase logarionica y reduce el nmero de clulas viables. www.freelibros.org

43. Agua 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 Ja hidratacin de la monocapa y se ven ms afectadas con el aumento de 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, sobre todo de la vitamina C. CllADR01.5 Valores mnimos de la actividad del agua para el crecimiento de microorganismos de importancia en alimentos OJanismo Mma Mayora de bacterias dainas 0.91 Mayora de levaduras dainas 0.88 Mayora de hongosdainos 0.80 Bacteria halfila 0.75 Levadura osmfila 0.60 Salmonella 0.95 Oostridium botulmum 0.95 rscnericllia coli 0.96 Staphyloooa;w; aureus 0.86 &:lcllussubtlis 0.95 t Alimentos de humedad intermedia Los alimentos de humedad intermedia tienen una larga vida de anaquel y no necesitan rehidratacin ni enfriamiento para conservarse, porlo que son adecuados para zonas y pases donde la refrigeracin no existe o es muy costosa. Nohayuna definicinprecisa de ellos pero se les considera productos con Aa de 0.65 a 0.86 y de 25 a 50% de agua. El valor de 0.86 se toma como lmite,ya que essuficiente para inhibirbacterias patgenas, como Staphylococcus aureus, aunque es insuficiente para evitar hongos y levaduras, por lo que en su elaboracin se aiiaden sorbatos y benzoatos. Estos productos se fabrican quitndole agua al alimento hmedo o adicionndole solutos altamente hidratables que retienen agua y, en consecuencia, reducen 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, con lo que se obtiene una leche evaporada con mayorvida de anaquel; de igual manera se producen 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." La influencia de los solutos en la reduccin de la actividad del agua en un alimento se refleja en la ecuacin (1). Como ejemplo, considrese un litro de agua pura, por lo que Ms = Oy por tanto Aa = 1.0; si se le aaden 2 moles de sacarosa (684 g, pm = 342), Ja Ao 0.96, ya que Ma 55.S (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 debajo pm. Estos ltimos se seleccionan de acuerdo con su solubilidad, eficiencia, sabor, compatibilidad, pH, costo,regulaciones, etc.; se tienen azcares (sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y lactosa), sales (cloruros de sodio y de potasio y varios fosfatos), polialcoholes 23 www.freelibros.org

44. Oulmica de losalimentos (sorbitol, glicerina, manirol y propilenglicol), cidos (fosfrico, lctico, ctrico, ascrbico y fu. rnrico), hidrolizados de protena, etc. fs claro que la concentracin requerida para cada uno de ellos depende de factores como el sabor. Por ejemplo, para reducir la Aa de un crnico oon slo NaCl, se necesitarla tal concentracin de sal que volverla al producro imposible de comer. La combinacin de estas sustancias, junto con los conservadores y OO'OS agenres, es la razn de la estabilidad de los alimenros 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 en una 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 impermeable, la actividad del agua puede incrementarse con la temperatura (figura 1.10). En cualquier caso, el alimento tendr una Aa distinta que favorecer el crecimiento de microorganismos o la velocidad de las reacciones indeseables. Por otra parte, esta transferencia de agua tambin ocurre internamente entre los constituyentes de un alimento, como 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. fste 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 queun alimento tenga dos componentes, unocon 15% yotrocon 25% de agua, y la transferencia se 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 vitaminas alcanzan su mayor estabilidad cuando se les ajusta la actividad del agua en el intervalo de los de humedad intermedia. tCongelamiento de los alimentos De acuerdo con la ecuacin de Arrhenius, la reduccin de la temperatura inhibe las reacciones qumicas y enzimticas yel crecimiento microbiano, aun cuando en la refrigeracin (4-10 'C) y en la congelacin(< OC) tambin se desarrollan. Esto se debe, en pane, a que por tenerdisueltas sustancias debajo peso molecular, como sales y azcares, los alimentos presentan zonas ricas en solutos cuya temperatura de congelacin se abate considerablemente yno toda el agua se convierte en hielo en el congelamiento,sino que quedan secciones lqui- das ricas en solutos. En el microambiente de la fase no congelable, diferente al resto del alimenro, se modifica el pH, la concentracin de reactivos, la Aa, la fuerza inica, la viscosidad, el potencial de axidorreduccin, la solubilidad del oxigeno, la tensin superficial, etc.; en consecuencia, a pesar de la baja temperatura, en estas condiciones pueden ocurrir muchas reacciones qw- micas como la desnaturalizacin de las protenas, la oxidacin de los Upidos. la hidrlisis de la sacarosa, el oscurecimiento no enzimtico, etctera. La estabilidad y las propiedades de las macromolculas dentro de las clulas de los alimentos dependen de la interaccin de sus grupos reactivos con la fase acuosa que 24 los rodea; el congelamiento provoca un aumento de 10 a 15% del volumen, altera esas www.freelibros.org

45. Agua interacciones y los cristales de hielo modifican la textura en frutas, hortalizas y crnicos. La turgencia de los tejidos est determinada por la presin hidrosttica de las clulas y la membrana retiene el agua; por lo tanto, tambin se encarga de mantener la frescura. Los componentes de las membranas son Hpoprotenas formadas por enlaces dbiles (puentes dehidrgeno y uniones hidrfobas) muy dependientes de la temperatura, lo que conlleva a su fcil disociacin y a la liberacin de agua durante el descongelamiemo; esto ocasiona que los tejidos de Jos alimentos pierdan su rigidez y frescura y,en ocasiones, se eliminen nutrimentos, como vitami nas hidrosolubles, en el agua de descongelamiento. Debido a esto, frutas refrigeradas,como las fresas,se sirven parcialmente descongeladas en los restaurantes para evitar que al consumidor le llegue un producto sin estrucrura celular como ocurre cuando se descongela por completo. El congelamiento de helados y similares requiere de un proceso que implique la produccin de microcristales para que el producto final se perciba terso y no arenoso por la produccin de cristales de mayor tamao.19 La velocidad de congelamiento determina la formacin y localizacin de los cristales de hielo; cuando se hace rpidamente (unos cuantos minutos a muy baja temperatura), se producen muchos cristales pequeos tipo aguja a lo largo de las fibras musculares de la came por ejemplo; por el contrario, si se efecta en forma lenta, se induce un menor n- mero 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 rpido ya que afecta, sobre todo, 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 menortamao, debido a que stos tienen un rea mayor que los grandes que aumentan su presin de vapor y. por lo tanto, las molculas de agua migran con mayor facilidad. tDureza del agua Esta expresin alude a la concentracin de calcio y magnesio disueltos en el agua, que se mide como carbonato de calcio. Por ejemplo, un agua considerada dura contiene 180 partes por milln (ppm) o mg/kg de dureza, mientras que una suave slo 60 ppm. El calcio y el magnesio influyen de diversas formas en la cocina y en la industria, ya que forman carbonatos ysulfatos que precipitan como puntos blancos en los recipientes en los que se hierve el agua; afectan la panificacin al inhibir la actividad de las levaduras; modifican el verde de la clorofila de los vegetales cocinados; confieren un sabor alcalino al agua y a las masas de panificacin; endurecen los chcharos yorros vegetales con pectinas, en lugar de ablandarlos en la coccin, al establecerse interacciones entre los polisacridos y los iones divalentes (vea el captulo 2); en el escaldado de vegetales reduce la absorcin de agua y modifica sus caractersticas de textura. Algunas regiones de Mxico slo disponen de agua dura, de modo que las recetas de cocina deben adaptarse a esa circunstancia; adems, esa agua no forma espuma con los jabones ni con los detergentes usados para el baio o el lavado de los utensilios de cocina. Adems de dificultar la limpieza de los equipos industriales, este tipo de agua provoca que se deposite carbonato y sulfato de calcio en las paredes de los intercambiadores de calor, los pasteurizadores, las calderas, etc., con Jo que ocasionan una reduccin en el rea de transferencia de calor. 25 www.freelibros.org

46. Oulmica de losalimentos 9Agua potable El consumo de agua no potable esel origen de muchosproblemas de salud que aquejan a un gran sector de la poblacin mundial, entre ellas enfermedades como la parasitosis,el clera, Ja hepatitis y otras de tipo gastrointestinal ocasionadas porbacterias, virus, lombrices intes- tinales o vermes y protozoarios. La potabilizacin representa un paso muy importante para evitar problemas como los que se refieren y con ese propsitx> existen tecnologas adecuadas para aguas de mar, pozo, ro y lago con diferentes contaminantes. Cabe indicar que Ja congelacin no elimina a los agentes deletreos, por Jo que consumir hielo fabricado con agua no potable resulta igualmente peligroso."' Con algunas variantes, la filtracin es el proceso de purificacin ms utilizado porque elimina partculas grandes (como arena y trozos de madera), hasta molculas muy pequeas, todo en funcin de Ja abertura que tenga Ja malla filtrante. Las membranas para la microfiltracin eliminan panculas suspendidas; las de Ja ultrafiltracin separan microorganismos y macromolculas como protenas y polisacridos, pero las de smosis inversa lo hacen con sustancias tan pequeas como las sales disueltas en el agua de mar. La filtracin se complementa con diversos mtodos para asegurar la destruccin de microorganismos parogenos. Una manera comn consiste en la adicin de cloro por ser un potente agente bactericida; se utiliza el hipoclorito de sodio para que el agua llegue al consumidor con una concentracin de 0.3 a 1.5 ppm de cloro hbre. Con la ozonificacin se aprovecha el alto poder oxidante del ozono (O,) que destruye bacterias, hongos y virus; es un gas muy inestable que se convierte en oxgeno (0,), no se puede transportar y se genera insitu en los ozonificadores mediante una descarga elctrica en el aire. Otro mecanismo son laslmparas UV: cuya longitudde onda de 254 nanmetros (nm) tiene un efecto fotoqumico oxidarivo en el ADN de Jos microorganismos, pero debido a que su accin es ms superficial y poco penetrante, su aplicacin tiene algunas limitaciones. En el mbito casero y en establecimientos de comida, antes de usar el agua dorada por el municipiose le hace circular a travs de filtros purificadores fabricados a base de carbn activado y resinas de intercambio inico. El primero se elabora al calentar madera o csca- ras de coco o de nuez en ausencia de oxgeno para que no se quemen, con lo que se forma una masa porosa de gran rea superficial en Ja que quedan adsorbidos Jos olores y sabores desagradables. Esta capacidad de retener gases es tan grande,que el carbn activado se usa en medicamentos contra la flatulencia. Cabe mencionar que el bicarbonato de sodio que se coloca en Jos refrigeradores realiza Ja misma funcin desodorizante, con la ventaja de que se regenera con un ligero calentamiento. Por su parte, las resinas son pequeas panculas de plstico que intercambian sus iones de sodio y de hidrgeno por Jos disueltos en el agua con carga positiva, como el calcio y el magnesio de las aguas duras, ascomo el plomo,cobre, mercurio, zinc y cadmio. 9Agua en la industria alimentaria El agua tiene mltiples aplicaciones en la industria de alimentos; se emplea en Ja produccin, en Ja formulacin, en el transpone de vegetales, en Ja generacin de vapor, en los servicios (baos, regaderas, riego, etc.), en los sistemas de enfriamiento, en el lavado de equipo 26 y maquinaria, etc. Su extraccin se vuelve cada da ms complicada ycostosa,sobre todo en www.freelibros.org

47. Agua pases como Mxico, donde se deben perforar varios cientos de metros para alcanzarel pre- ciado lquido. Por estas razones es de suma importancia implementar programas de ahorro, as como de optimizacin de procesos y reutilizacin para disminuir el consumo. En muchas ocasiones el agua es la causa de reacciones que reducen las propiedades sensoriales y el valor nutritivo de los alimentos, por lo que es necesario tener un control adecuado de su calidad, sobre todo de la que est en contacto directo.Noslo los microorganismos presentes pueden causar daos, sino que las sales y los iones que contiene tambin ocasionan problemas, como es el caso del hierro que cataliza las reacciones de oxidacin de molculas insaturadas, Jo que produce rancidez y decoloracin de diferentes pigmentos. Asimismo, el cobre tambin propicia reacciones semejantes y de destruccin de vitarrnas, como la C. La reactivacin de algunas enzimas de los alimentos tratados trmicamente puede acelerarse con Ja presencia de cationes como calcio y magnesio, que provienen del agua empleada. Las aguas de pozos profundos contienen muchos bicarbonatos de hierro y man ganeso que son solubles e incoloros, pero que al oxidarse en presencia de aire producen precipitados de color amarillo-rojo y gris-negro por la formacin de sus respectivos hidrxi dos. Debido a la contaminacin industrial de los mantos acuferos, el agua tambin puede impregnarolores y sabores indeseables a Jos alimentos. El cloro y Jos fenoles se perciben en concentraciones menores a 1 ppm. As como en Ja industria alimentaria se consume mucha agua, tambin se generan efluentes que contaminan ros, lagos, mantos acuferos, mares, etc., si previamente no son tratados. Esta contaminacin es muy significativa en trminos de la gran variedad de com puestos y del enorme impacto que tienen en Jos ecosistemas. Las autoridades requieren que se cumpla con los valores lmite de ciertos parmetros para poder descargar las aguas residuales, tales como grasas y aceites, slidos sedimentables, pH, temperatura, diversos elementos (As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn), demanda biolgica de oxigeno, slidos suspendidos totales y demanda qumica de oxgeno. Para cumplircon esos parmetros, se emplean diversos procesos fsicos (sedimentacin, flotacin), qumicos (coagulacin, cambio inico y ajuste de pH) y biolgicos (digestin microbiana), por lo general en combinacin. En Jos dos primeros se utilizan las propiedades fsicas y qumicas de los propios residuos para separarlos, mientras que en el biolgico los efluentes orgnicos son inoculados con microorganismos para producir biomasa que posteriormente se separa como un slido humedecido. Las aguas tratadas provenientes de estos sistemas se reutilizan en diversos servicios de las fbricas, como en calderas, riego, baos, etc., con lo cual se contribuye a reducirJa sobreexplotacin de los mantos acuferos. 27 www.freelibros.org

48. Oulmica de losalimentos Referencias bibliogrficas 1.Barbosa-Cnovas, G.V. y Labuza,T.P. 2007. Mlter ActivitiesofFoods Fundamentals and Appli cations. Black:well PublishingLtd. Oxford, Inglaterra. 2.Belitz, H., W. Grosch y P. Schleberle, Eds. 2004. Food Chemistry. Springer-Verlag. Berln. 3.Bertoluzza, A., C. Fagnano, M.A Morelli, A. 1nti y M.R. Tos. 1993. "The role of water in biological systems".J Moler::. Struct 297:425-437. 4.Chen, C.S. 1987. Relationship between water acrivity and freezing poinr depression of food systerns. J. FoodSci. 52:433. 5.Chinaeroti, P. 2000. Water Activity. En Food Chernistry: Principies and Applications. Ed. G. Christen. ScienceTechnology System. California. 6.Chinacroti, P. 1993. "Water mobility and its relation to food functionality of sucrose- containing food systems. FoodTechnol. 45(1):134-140. 7.Clark, P.J. 2011. High Pressure Processing. Food Technol. 6:107-110. 8.dark, P.J. 2009.Water Activicy:Thermodynamics in Foods. Food Technol.10:73 77. 9.Coultate, T.P. 2002. Food.The CherniSO'}' ofits Components. The Royal Society of Chemistry, cambridge. 10.DeMan,J.M. 1999. water". Cap. 1 en Food Chernistry. Tercera edicin, pp. 1-32. Aspen Pu- blishers, Gaithersburg. MD. 11.Ftitsch, C.W. 1994. "Upid oxidation -The other dimensions". lnform 5:423-428, 431-436. 12.Iglesias, H.A., Chirife, J. y Ferro Fontn, C. 1986. Ternperature dependance ofwater sorption isotherms ofsomefoods. J. Food Sci. 51:551. 13.Jay, J.M. 2000. Modern Food Microbiology. 6a. ecl Gaithersburg, Mcl 14.Kanterewicz, R.J. y Chirife, J. 1986. Color changes and available lysineduring storage ofshelf- stable concentrated cheese whey.J. Food Sci. 51:826. 15.Kapsalis, J.G. 1987. "lnfluences of hysteresis and temperature on moisture sorption isotherms'. En Water Activity: Theory and Applications to Food. Ed. LB. Rockland y L.R. BeuchaL Marcel Dekker, Nueva York. pp. 173-213. 16.Labuza, T.1'., Kaanane, A. y Chen, ].Y. 1985. Fffect of ternperature on the moistUre sorption isotherrns and wateractivity shi.ft to two dehydrated foods. J. Food Sci. 50:385. 17.Lerici, C.R., Piva, M. yRosa, D. 1983. Water activity and freezing point depression ofaqueous solutions and liquid foods. ~ Food Sci. 48:1667. 18.Muoz de Chvez, M. 2010. Composicin de alimentos. 2a. Ed. McGraw Hill Mxico. 19.Regand,A., Goff, H.D. 2002. f/fect of biopolymers on structureand ice recrystallization in dyna- micallyfrozen ice cream model systerns.J. Dairy Sci. 85(11):2722-2732. 20.Reid, D.S. y Fennema, O.R. 2008. "Agua y hielo'. En Qumica de Jos alimentos, Ed. Damo- daran, S., Parkin, K., Ly Fennema, O.R. Ed. Acribia, Zaragoza, Espaa. 28 21.Robinson,R. y Pare!, P. 2000. Encycloped.ia of Food Microbiology.Academic Press. l.ondres. www.freelibros.org

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51. Salvador Badui Dergal Hidratos de carbono Introduccin E n sus orgenes, el trmino hidratos de carbono (del ingls mrbohydrate; en espaol car- bohidrato) se refera a compuestos nicamente a base de tomos de carbono con igual nmero de molculas de agua; es decir,se representaban con una frmula condensada genrica de C,(H,O), como sucede con la glucosa, la galactosa y la fructosa: c.(H,o). Sin embargo, actualmente se aplica a una gran familia de sustancias que, adems de carbono, hidrgeno yoxgeno, contienen elementos como azufre, fsforo y nitrgeno. Su estructura es de polihidroxialdehdo o de polihidroxicetona, es decir, contienen muchos grupos hidroxilos; son los compuestos orgnicos ms abundantes en la naturaleza y tambin los que ms consume el serhumano, dado que en muchos pases representan 80% o ms de la dieta. Se encuentran principalmente en el reino vegetal y en menor proporcin en el animal. Su origen comn es la glucosa (del griego gleukos, vino dulce) proveniente de la fotosntesis, es decir, de la transformacin del bixido de carbono y elagua por los efectos de la luz solar en presencia de la clorofila de los cloroplastos en las plantas verdes. En este complejo proceso la energa radiante del solse transforma en energa qumica, que a su vez se almacena en forma de hidratos de carbono,sobre todo almidn, adems de que se produce el vitaloxigeno (figura 2.1). e 31 www.freelibros.org

52. Oulmica de losalimentos Figura2.l Qclo del bixido de carbonoy fotosntesis. 801 o ~/ co, atmostrico foloslntesls Fotosfnlesls oxigeno 90&lJl18 6C02 + 12 H,0 luminosa bilclo de carbono oombusti6n de energtic:os C2H120 8 +60,+ SH,O glucosa too De acuerdo con su tamao molecular, Jos dentos de hidratos de carbono existentes en la naturaleza se clasifican en monosacridos,oligosacridos y polisacridos (cuadro 2.1). CUADR02.1 Clasificacin de los hidratos de carbono en alimentos a) Mmosacridos (1 unidad de azcar) Pentosas: xilosa, arabinosa. nbosa, Hexosas: aldohexosas: glucosa,galactosa, manosa c:etohexosas: fructosa,sotbosa e) Polisacdridos (mds de 10 unidades de azcar) b) Oligosacridos (de 2 a10 unidades d