7/21/2019 Clase 26_Actividad de Agua

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Objetivo

Al final de la Clase 26 los alumnos podrn hacer losiguiente:

Explicar el concepto de la aw de un producto, as comosu relacin con la HRdel aire, e intercambio de aguaentre ambos (IdD 2.1)

Explicar la construccin y uso de las isotermas desorcin de agua (IdD 3.2)

Explicar el efecto de la composicin y estructura del

producto en la relacin entre su contenido de agua yla aw (IdD 2.1)

Existe una relacin entre el contenido de humedad de

un producto y su vida til

Esta relacin es imperfecta; productos con mismacantidad de agua pueden diferir en su vida til

Por qu ocurre esto?

Diferencias en vida til pueden deberse a diferencias enintensidad con la que el agua se asocia con distintoscomponentes del producto

La actividad de agua (aw) toma en cuenta la intensidadcon la cual el agua se asocia a dichos componentes

El agua que est asociada fuertemente est menosdisponible para facilitar reacciones de degradacin

Contenido de agua versusactividad de agua

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Al poner agua en un recipiente cerrado y evacuarlo convaco, una fraccin del agua se evapora hasta saturarcon vapor de agua el volumen restante

El concepto de actividad de agua (aw) se

relaciona con el de presin de vapor (pv)

Tiempo

presin de vapor= pv(T)

En el equilibrio, el vapor de agua ejerce una presin (lapresin de vapor, pv), la cual es funcin fuente de latemperatura (T) [T pv]

Agua (solventevoltil)

La tendencia del agua a escapar hacia la fase gaseosaes menor que la del agua pura por sus interaccionescon otras molculas (comp. 2), y la presin de vapor delagua (pv) disminuye [pv < pv; x2 pv]

Agua + solutono voltil

Presin de vapor (pv) enfuncin de la fraccinmolar del soluto (x2)

El concepto de aw se relaciona con el de pv(cntd.)

La definicin de aw considera la depresin de la

presin de vapor (pv) del agua debido a lasinteracciones moleculares:

Definicin de la actividad de agua (aw)

donde pv es la presin de vapor que ejerce el agua(tendencia a escapar) cuando est mezclada consolutos; y pv, la presin de vapor que ejercera el aguapura, sin solutos (que escapa libremente)

aw ====pv

pv

aw ====pv

pv

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En el caso del aire, se define su humedad relativa (HR)como la relacin entre la presin parcial del vapor en elaire (pa.g) y la presin de vapor del agua pura a latemperatura del aire (pv)

Se expresa en una base porcentual, de forma que HR =100% corresponde a aire saturado con agua; y HR = 0%,a aire seco

HR==== 100pa.g

pv

HR==== 100pa.g

pv

La aw se relaciona con la humedad relativa (HR)

del aire

Cuando un producto se equilibra con el aire en suespacio de cabeza, se iguala la presin de vapor delagua en ambas fases:

pv = pa.gpv = pa.g

donde HREes la humedad relativa (HR) de equilibrio

aw= 0.01 HREaw= 0.01 HRE

Equilibrio entre un producto y su espacio decabeza

Dividiendo ambos trminos por pv, y aplicando lasdefiniciones de aw y HR, se establece lo siguiente:

Aplicacin del concepto a productos no-envasados

Ejemplo 1. Absorcin de agua de espacio de cabeza

Ejemplo 2. Desorcin de agua hacia espacio de cabeza

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Construccin de isotermas de adsorcin /

desorcin de aguaImporta conocer aw, pero tambin relacionar dicha awcon mque es ms fcil de determinar

Se puede mantener HRconstante usando unasolucin sobresaturada deuna sal

Humedadesrelativas deequilibrio (HRE)de solucionessaturadas dedistintas sales a

10-30 C

SalHumedad relativa de equilibrio (HRE, %)

10 C 15 C 20 C 25 C 30 C

LiBr 07.1 06.9 06.6 06.4 06.2

NaOH 09.6 08.9 08.2 07.6

LiCl 11.3 11.3 11.3 11.3 11.3

CH3COOK 23.5 23.5 23.0 22.5 22.0

MgCl2 33.5 33.0 33.0 33.0 32.5

K2CO3 44.0 43.5 43.0 43.0 43.0

NaBr 60.0 59.0 58.0 57.5 56.5

CuCl2 68.0 68.0 68.0 67.5 67.0

KI 72.0 71.0 70.0 69.0 68.0

NaCl 76.0 75.5 75.5 75.5 75.0

(NH3)2SO4 81.0 80.5 80.5 80.0 80.0

KCl 87.0 86.0 85.0 84.5 84.0

C6H5COONa 88.0 88.0 88.0 88.0 88.0

KNO3 95.5 95.0 94.0 93.0 92.0

K2SO4 98.0 98.0 97.5 97.0 97.0

En el equilibrio, cada HR (T= constante) corresponde auna humedad nica (m, g agua/100 g slido seco)

Isotermas de sorcin de agua

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Los datos de mayor inters son los de la regin de bajahumedad, y conviene enfocarse en dicha zona

Isotermas de sorcin de agua (cntd.)

Las isotermas de sorcin se pueden obtener de dosformas distintas:

Isoterma de adsorcin. Se pone el producto seco enatmsferas con HREcreciente, y se mide la ganancia depeso (humedad) al alcanzarse el equilibrio

Isoterma de desorcin. Se pone el producto hmedoen mismas atmsferas pero con HREdecreciente, y semide la prdida de peso al alcanzarse el equilibrio

Isotermas de sorcin de agua (cntd.)

Las isotermas de sorcin de agua dependenmarcadamente del tipo de material

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Las isotermas de sorcin/desorcin de agua

sirven variados propsitosPara predecir la estabilidad fsica y qumica de unproducto

Para conocer la humedad del producto que inhibir elcrecimiento de microorganismos

Para formular mezclas evitando transferencia dehumedad entre los ingredientes

Para seleccionar la permeabilidad de un material deempaque

Para optimizar la concentracin y deshidratacin delproducto porque la remocin del agua depende de aw

Resumen de mecanismos de depresin de la aw

La disminucin de la actividad del agua (aw), que parasoluciones ideales est definida por la ley de Raoult

Efecto coligativo de los solutos disueltos en lafase acuosa del producto

donde xw es la fraccin molar de agua en la solucin; yNw y Ns, los moles de agua y soluto en la solucin

aw ==== xw(((( ))))====

NwNw++++ Ns

aw ==== xw(((( ))))====Nw

Nw++++ Ns

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La ley de Raoult se usa para predecir la aw desoluciones diluidas, e.g., sales, azcares

awMolalidad

ideal

Soluto

NaCl CaCl2 Sacarosa Glicerina

0.995 00.281 0.150 0.101 0.272 00.277

0.990 00.566 0.300 0.215 0.534 00.554

0.980 01.130 0.607 0.418 1.030 01.110

0.960 02.310 1.200 0.870 1.920 02.210

0.940 03.540 1.770 1.080 2.720 03.320

0.920 04.830 2.310 1.340 3.480 04.440

0.900 06.170 2.830 1.580 4.110 05.570

0.850 09.800 4.030 2.120 5.980 08.470

0.800 13.900 5.150 2.580 (sat.) 11.500

0.750 18.900 (sat.) 3.000 14.800

0.700 23.800 3.400 18.300

0.650 30.000 3.800 22.000

Como el agua tiende a aferrarse a la pared de capilares,ocurre una disminucin en su tendencia de escape a lafase gaseosa (ecuacin de Kelvin)

dondees la tensin superficial dellquido (N/m); , el ngulo de contacto(rad); V, el volumen molar del lquido

(m3/mol); r, el radio del capilar (m); R, laconstante universal de los gases (MKS); yT, la temperatura absoluta (K)

Efecto de la capilaridad en un slido poroso

r(m) Presin capilar (atm) aw (-)

1 1,3 0,999

0,1 15 0,99

0,01 150 0,9

0,001 1500 0,3

Efecto del radio del capilar (r) en la depresin dela aw

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H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

Algunos polmeros en alimentos (carbohidratos,protenas) tienen grupos hidroflicos que pueden formarpuentes de Hcon molculas de agua

Interaccin con superficies

La isoterma de adsorcin de agua, generalmente, no sepuede superimponer a la isoterma de desorcin de agua

Histresis de las isotermas de adsorcin /desorcin de agua

Para una misma humedad (m), laaw durante la desorcin es mayorque durante la adsorcin de agua

Este fenmeno se observa parahumedades mayores que demonocapa, cuando los poros sellenan o vacan

Teora de la botella de tinta

Es importante predecir el nivel de humedad al cual se

forma la monocapa en el producto porque en esemomento el agua adquiere movilidad y est disponiblepara reacciones de deterioro

La siguiente ecuacin, desarrollada por Brunauer,Emmett y Teller (BET) es muy usada para estepropsito:

Formacin de la monocapa

donde (g agua/g slido seco) es el valor de lamonocapa de BET(contenido de agua del alimento parael cual se forma la monocapa; y C, un parmetro(constante) de la ecuacin

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Determinacin del contenido de agua de

monocapa usando la ecuacin de BET

En productos de baja humedadun aumento en 10 C puedecausar un cambio en aw de0.03-0.2

Este efecto es importante enproductos envasados quesufren cambios de temperatura

La relacin entre log(aw) y T-1

casi siempre es lineal, siendoel efecto mayor en productossecos

Efecto de la temperaturaen la actividad de agua