Química de Alimentos

Hay diferencias fundamentales entre la actividad de agua (aw) y la transición vítrea como indicadores del equilibrio termodinámico y fenómenos en no-equilibrio de sistemas alimenticios.

Actividad de Agua = propiedad del agua en el equilibrio dentro de los alimentos y otros materiales.

Transición Vítrea = proceso de relajación que ocurre en los sólidos de los alimentos durante la transformación desde sólidos no-cristalinos hasta un estado similar a un líquido superenfriado.

La distinción fundamental entre aw y transición vítrea es que la primera es una propiedad de las moléculas del agua, y la transición vítrea es una propiedad de los componentes amorfos de los alimentos.

Está basada en un estado termodinámico en equilibrio del agua dentro de un sistema en equilibrio.

La mayoría de los sistemas alimenticios pueden existir prácticamente en un estado estacionario, pero no están en un estado de equilibrio termodinámico y pueden ocurrir cambios durante el almacenamiento.

La adición de solutos al agua resulta en una disminución en la presión de vapor del agua.

En el equilibrio, la presión de vapor del agua líquida dentro del alimento y en la fase de vapor es la misma y la aw está dada por la presión de vapor relativa (RVP o % HR).

Una propiedad importante de la presión de vapor del agua y la aw es su dependencia con la temperatura. Esta dependencia sigue la ecuación de Clausius-Clapeyron.

La aw disminuye mientras decrece la temperatura. A bajas temperaturas, la aw puede ser lo suficientemente baja como para mantener al producto microbiológicamente seguro.

Los sólidos en el alimento se encuentran representativamente en un estado de no-equilibrio y ocurren cambios a través del tiempo para llegar al equilibrio.

Los tiempos de relajación de estos cambios variar dependiendo del estado en que se encuentran los sólidos.

La cristalización de los componentes amorfos en el alimento causa los cambios más dramáticos en la aw que son dependientes del tiempo.

El agua causa la plastificación de los sólidos y permite la cristalización. Esto incrementa el % HR y la aw aparente del sistema si el agua no es removida.

Se define como la transformación de un líquido superenfriado a un vidrio altamente viscoso similar a un sólido.

Ocurre sobre un rango de temperatura mientras que las moléculas se “congelan” y pueden exhibir solamente movimiento de rotación y de vibración.

Puede ocurrir a varias temperaturas, dependiendo del contenido de agua.

TRANSICION VITREA: Es el paso de estado de vítreo (amorfo) a gomoso.

La fuerza impulsora para que se de el cambio de fase es μ= f (T, P)

Tg = Temperatura de transición vítrea

Tm= Temperatura de fusión Tb= Temperatura de ebullición

Es de mucho interés el comportamiento de no equilibrio para los componentes amorfos metaestables de alimentos de baja humedad.

Un material amorfo puede existir como un sólido altamente viscoso o como un fluido superenfriado viscoso o viscoelástico.

La remoción de agua relativamente rápida de los alimentos por evaporación, deshidratación, extrusión, congelación o por otros métodos producen una sobresaturación de los componentes solubles.

Consecuentemente los sólidos solubles en agua pueden existir como líquidos amorfos superenfriados.

Estado físico de los materiales que son solubles en agua y son plastificados por el agua en el estado amorfo. Los cristales, solución y fusión son estados de equilibrio estables. El estado amorfo (vítreo o gomoso) es un estado de no equilibrio con propiedades dependientes del tiempo. Los cambios entre estados de equilibrio y estado vítreo siempre ocurren a través del estado gomoso (Roos y Karel, 1991b).

El cambio más importante, característico del estado amorfo, se detecta en la temperatura de transición vítrea, que involucra transición desde un sólido " vítreo" a un estado "gomoso" parecido a líquido.

Muchas sustancias, entre las que se incluyen los alcoholes, grasas, soluciones proteínicas, azúcares y soluciones de azúcares se pueden convertir a forma vítrea amorfa.

Una forma vítrea ha sido descrito como cualquier líquido o líquido superenfriado cuya viscosidad es superior a 1012 Pa.s.

Esta definición concuerda bien con el significado familiar del término vítreo ya que un líquido cuya viscosidad es superior a 1012 Pa.s es capaz de soportar su propio peso.

Muchos sistemas alimenticios complejos contienen solo componentes parcialmente amorfos, y sus transiciones vítreas no pueden ser medidas por métodos simples (Calorimetría diferencial de barrido, DSC).

Los sólidos amorfos también pueden existir en dispersiones, los cuales son más difíciles de caracterizar.

La consecuencia principal de la transición vítrea es el incremento de la movilidad molecular y el volumen libre por arriba de la Tg, que puede repercutir en cambios físicos y fisicoquímicos

La transición de un líquido a un estado vítreo se caracteriza también por la discontinuidad en ciertas propiedades físicas mientras que otras propiedades cambian de manera más o menos suave.

Las transformaciones también pueden ocurrir en el estado vítreo durante el tiempo de almacenamiento, las cuales son conocidas como envejecimiento físico.

La adición de agua disminuye la temperatura de transición vítrea y la hace más pronunciada.

El agua es el principal solvente y plastificante (suavizante) de los sólidos hidrófilos en los alimentos.

Las interacciones de las moléculas de agua con los componentes hidrófilos amorfos se observan en una disminución de la transición vítrea junto con un incremento en el contenido de agua.

La adición de solutos incrementan la transición vítrea hacia la transición vítrea del soluto.

La adición de agua a un vidrio amorfo e hidrófilo disminuye la transición vítrea hacia la del agua pura.

Una cierta cantidad de sistemas alimenticios de baja humedad tienen límites de aw establecidos empíricamente para mantener la estabilidad de varios parámetros.

Se asume que el incremento en la movilidad molecular y la disminución de los tiempos de relajación por encima de la transición vítrea mejora las transformaciones moleculares y la difusión, lo que acelera muchos cambios deteriorativos.

El modelo de sorción de agua de Guggenheim-Anderson-De Boer (GAB) ha probado ajustarse a los datos de sorción del agua de la mayoría de los materiales en los alimentos,

donde m es el contenido de agua (g/100 g de sólido), mm es el valor de monocapa, y C y K’ son constantes.

Los valores críticos de aw y contenido de agua dan información directa acerca del % HR máximo permitido para el almacenamiento de alimentos amorfos o parcialmente amorfos.

La sorción de agua puede incrementar el contenido de agua del material a cierto nivel, disminuyendo la temperatura de transición vítrea (Tg) por debajo de la temperatura ambiente.

Muchos fenómenos son controlados por las propiedades de flujo de los sólidos del alimento.

El incremento de la temperatura o el contenido de agua en los alimentos vítreos hidrófilos puede resultar en una transición vítrea.

Por encima de la transición vítrea, las propiedades similares a las de los sólidos de los materiales amorfos desaparecen y se vuelven materiales similares a los líquidos superenfriados con propiedades de flujo mejoradas.

Hay una disminución en los tiempos de relajación de los cambios mecánicos, los cuales se pueden relacionar con la viscosidad de los materiales.

aw crítica = la aw correspondiente a la plastificación del agua que disminuye la transición vítrea a una temperatura de análisis (temperatura de almacenamiento).

Contenido de agua crítico = el que corresponde al contenido donde ocurre la transición vítrea a la temperatura de análisis.

Hay unas cuantas propiedades de los alimentos que son controladas directamente por la transición vítrea: adherencia, plegamiento, fragilidad de los alimentos con baja humedad, y cristalización de los componentes amorfos del alimento.

Las transformaciones tienen una naturaleza dependiente del tiempo, y, dependiendo de las condiciones en T – Tg, los cambios toman lugar en varias proporciones.

El factor más importante en tales reacciones es la difusión de los reactantes y los productos que afectan las velocidades de reacción, controlada indirectamente por la transición vítrea.

En estas reacciones, el agua a menudo tiene un rol múltiple como al menos un medio para efectuar la reacción, solvente y plastificante.

Las propiedades dependientes del tiempo controladas por la transición vítrea son el resultado de los cambios en la movilidad molecular alrededor de la transición vítrea.

aw puede ser utilizada como una medida de la transición vítrea a una temperatura constante y relacionada con la aparición del movimiento traslacional de los sólidos amorfos hidrófilos en los alimentos.

Los efectos de la aw en la estabilidad del alimento han sido descritos satisfactoriamente usando los “mapas de estabilidad”, mostrando velocidades relativas de los cambios deteriorativos en función de la aw.

Se ha propuesto que algunas reacciones son afectadas por la transición vítrea de sólidos amorfos en los alimentos.

Los mapas de estabilidad de los alimentos también pueden relacionar cambios dependientes de la transición vítrea con la aw.

Las velocidades de los cambios dependientes de la transición vítrea son afectadas por la composición del alimento.

Pueden ocurrir no habiendo agua presente en los sólidos o a actividades de agua correspondientes a la aw crítica de algún material en particular.