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FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
i
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
Ing. Lida Carmen Sanez Falcón Profesora de la Facultad de Ingeniería Química
Universidad Nacional del Callao
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
ii
INDICE
Nº Pagina
PROLOGO
CAPITULO I 01
Introducción 01
CAPITULO II 03
Psicrometría 03
2.1 Propiedades del aire seco 04
2.1.1 Composición del aire 04
2.1.2 Volumen específico del aire seco. 04
2.1.3 Calor específico del aire seco 05
2.1.4 Entalpía de aire seco. 05
2.1.5 Temperatura de bulbo seco 05
2.2 Propiedades del vapor de agua 05
2.2.1 Volumen específico de vapor de agua 05
2.2.2 Calor Específico del Vapor de Agua 06
2.2.3 Entalpia del vapor de agua 06
2.3 Propiedades de las mezclas aire –vapor 06
2.3.1 Ley de Gibbs - Daltón 06
2.3.2 Temperatura de rocío. 07
2.3.3 Punto de roció 07
2.3.4 Humedad Absoluta 07
2.3.5 Humedad absoluta de saturación 08
2.3.6 Humedad relativa 08
2.3.7 Temperatura de bulbo húmedo 09
2.3.8 Volumen húmedo 09
2.3.9 Calor húmedo 10
2.3.10 Entalpía 10
2.4 Saturación adiabática del aire 10
2.5 Diagrama psicrométrico 13
CAPITULI III 21
DIFUSIÓN 21
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
iii
3.1 Tipos de difusión 21
3.1.1 Difusión molecular. 21
3.1.2 Difusión en remolino. . 21
3.1.3 Difusión gaseosa. 22
3.1.4 Contradifusión equimolecular. 23
3.1.5 Difusión de un gas a través de una capa inmóvil 24
3.2 Determinación experimental de la difusión 26
3.3 Difusividad en líquidos 27
3.4 Difusión de sólidos 28
3.5 Ejercicios 29
C A P I T U L O IV 31
C O L O R 31
4.1 Historia de color 31
4.2 Definiciones de color 33
4.3 Calculo del color psicofisico 38
4.3.1 Observador estándar 39
4.3.2 Fuentes estándar 39
4.3.3 Calculo de las coordenadas triestimulo de color 40
4.4 Espacio de color - sólido de color 42
4.5 Sistema CIE 43
4.6 Diagrama cromático CIE 45
4.7 Mezcla aditiva de colores 46
4.7.1 Ecuaciones Básicas 47
4.7.2 Colores complementarios 48
4.8 Espacios uniformes de color 48
4.8.1 modelo CIELab - CIELuv 48
4.9 Medida sensorial del color 50
4.10 Sistema Munsell 51
4.10.1 Características básicas de color (Munsel) 52
4.11 Sistema Hunter 54
C A P I T U L O V 55
A D S O R C I O N 55
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iv
5.1 Definición de adsorción 55
5.2 Mecanismo de adsorción 56
5.2.1 Fisisorción 56
5.2.2 Adsorción Química (Quimisorción). 57
5.3 Magnitudes experimentales 58
5.4 Calor de adsorción 61
5.4.1 Calor Diferencial 61
5.4.2 Calor integral de adsorción 62
5.5 Calor esotérico 62
5.6 Modelos matemáticos 62
5.6.1 Modelo de BET (Brunauer-Emmet y Teller) 63
5.6.2 Modelo de Langmuir 67
5.6.3 Isoterma de Freundlich 68
CAPITULO VI 70
ACTIVIDAD DE AGUA 70
6.1 Definición de actividad de agua. 72
6.2 Contenido de agua y actividad de agua 74
6.3 Propiedades físicas 75
6.4 Actividad del Agua y Crecimiento de Microorganismos en Alimentos 75
6.5 Isotermas desorción 79
6.5.1 Definición. 79
6.5.2 Tipos de isotermas. 80
6.5.3 Isoterma de Adsorción y Desorción. 81
6.5.4 Isoterma de equilibrio de un alimento 82
6.5.5 Factores que afectan la actividad de agua 84
6.6 Aplicaciones de la actividad del agua 88
6.6.1 Deshidratación 88
6.6.2 Mezclas 91
6.7 Aplicación 92
6.8 Modelos matemáticos 93
6.8.1 Modelo de BET 93
6.8.2 Modelo de CAURIE 94
6.8.3 Modelo de GAB 95
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
v
6.8.4 Modelo de Henderson 95
7 REFERENCIALES 97
ANEXO 99
APENDICE 101
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
vi
PRÓLOGO
En el presente libro de físico química de los alimentos se tomaron en consideración ante todos
aquellos problemas específicos de la termodinámica, que presentan interés para la tecnología de
los alimentos
Por otro lado la preocupación como profesor de la Facultad de Ingeniería Química de la Universi-
dad Nacional del callao, observar que la mayoría de los alumnos no pueden acceder a comprar li-
bros, para la búsqueda y aprendizaje de conocimiento; las razones son varias entre ellas la caren-
cia de recursos económicos.
El presente texto pretende contribuir para resolver en parte este problema, puesto que el contenido
del texto es un compendio de muchos libros revistas y trabajos de investigación.
El libro ha sido diseñado para satisfacer la necesidad antes expuesta, por esta razón el texto se
presenta en forma sencilla, clara y profundizando el aspecto teórico, que le permita al lector su apli-
cación práctica.
La Físico Química de alimentos es la ciencia que se encarga de estudiar muchas propiedades que
intervienen en el procesamiento, conservación y control de calidad de los productos alimenticios.
Lida Carmen Sanez Falcón
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
vii
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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CAPITULO I
INTRODUCCION
La Fisicoquímica estudia sistemáticamente las variables experimentales que afectan a los procesos
de disolución, transiciones de fase y reacciones químicas térmicas, fotoquímicas y electroquímicas
en medio homogéneos y heterogéneos.
A partir de estos estudios se han derivado leyes generales que permiten predecir e interpretar cuan-
titativamente dichos procesos en forma relativamente rigurosa. La Fisicoquímica constituye la he-
rramienta esencial para la comprensión de los fenómenos químicos.
Sin embargo, sus formalismos han sido planteados para procesos simples y condiciones ideales.
Cuando se orienta a Ciencias de los Alimentos, la Fisicoquímica debe tratar con sistemas muy com-
plejos y heterogéneos como emulsiones aceite/agua; suspensiones celulares, tejidos, polímeros en
agua, etc.
A su vez, la Tecnología de los Alimentos utiliza en las diferentes etapas de obtención y procesa-
miento de alimentos metodologías fundamentalmente fisicoquímicas: propiedades de soluciones,
métodos de separación y partición, procesos térmicos, fotoquímicos y electroquímicos, etc.
Por estas razones, esta propuesta docente pretende orientar la enseñanza de los principios básicos
de la Fisicoquímica hacia la resolución de problemas concretos en el tratamiento de los alimentos.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Se entiende por esto que se propenderá a interrelacionar los objetivos aplicados requeridos por la
industria con las bases cognitivas que pudieran dar lugar a innovaciones creativas en los procedi-
mientos y mejoramiento de la calidad.
Dado el carácter complejo de los alimentos desde el punto de vista químico y su origen biológico, es
necesario introducir en el estudio de la Fisicoquímica de Alimentos aspectos como las propiedades
del agua y su rol en la estabilidad y preservación de estructuras biológicas.
Por otro lado, existen una serie de procesos en alimentos que implican un ajustado manejo de va-
riables experimentales como presión, temperatura, composición que exigen un dominio claro de pa-
rámetros termodinámicos y cinéticos.
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CAPITULO II
PSICROMETRIA
La psicrometría, en su sentido más amplio, encarga de la determinación de las propiedades termo-
dinámicas de las mezclas entre gases y vapores. Su aplicación más frecuente se muestra en el sis-
tema aire-vapor de agua. La instila alimentaria no es una excepción. Así el comportamiento de estas
mezclas bajo distintas condiciones determina, entre otras cuestiones, diseño de los secaderos de
alimentos y de los equipos para su almacenamiento frigorífico. Se comienza con la exposición de las
principales propiedades de cada uno de los componentes en la mezcla para, posteriormente, prose-
guirán el análisis y características del conjunto aire -vapor de agua.
El objetivo de la psicometría incluye la determinación de las propiedades termodinámicas de mez-
clar gas-vapor. Sus aplicaciones más comunes se asocian al sistema aire-vapor de agua.
Los cálculos que incluyen propiedades psicométricas serán útil en el diseño y análisis de diferentes
sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos.
En este capítulo se definen las principales propiedades termodinámicas utilizadas en los cálculos
psicométricos. Y además se muestran los diagramas psicrométricos utilizados para el cálculo de
esas propiedades.
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2.1 PROPIEDADES DEL AIRE SECO
2.1.1 Composición del aire
El aire es una mezcla de varios gases, cuya composición varia ligeramente en función de la
posición geográfica y altitud. En términos científicos, la composición normalmente aceptada, y
que se conoce se muestra en la tabla Nº 2.1, el peso molecular a Parente del aire están dar
es 28.9645, la constante de los gases para el aire seco es Ra
Fuente: Datos de Schartzberg y Chao (1982)
2.1.2 Volumen específico del aire seco.
Se puede calcular a partir de la ley de los gases ideales.
oaparentelardeairepesomolecu
ovapordelparcialesiónPa
KabsolutaTemT
KKgPamgaseslosdeteConsRa
Kgrmoairedeespecíf icoVolumenVaPa
TRaVa
A
A
sec9645.28
secPr
.
./.tan
/sec
3
311
2.1.3 Calor específico del aire seco
aPC
El calor específico a 1 atm APK325.101 del aire seco, dentro del intervalo de tempera-
turas comprendido entre - 40° C y 60° C , varía desde 0,997 KJ/Kg . K hasta 1.022 KJ/Kg.
ºK en la mayoría de los casos puede utilizarse el valor medio, 1,005 KJ/Kg. º K
TABLA Nº 2.1 Composición estándar del aire
Constituyente % en volumen
Nitrógeno 78.084
Oxigeno 20.948
Argón 0.933
Dióxido de carbono 0.031
Noen 0.002
Helio 0.001
Otros gases 0.001
100.00
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2.1.4 Entalpía de aire seco.
Bajo las condiciones de referencia, de 0 °C y 1 atm., la entalpia del aire seco viene dada por
la siguiente expresión:
CreferenciadeaTemperaturTo
CobulboaTemperaturTa
KgKoairedeentalpíaHa
ToTaHa
0
sec
)/1(sec
)(005,1
2.1.5 Temperatura de bulbo seco )( aT
La temperatura de bulbo seco es la temperatura mostrada por un indicador de temperatura.
Dicha temperatura contrasta con la temperatura de bulbo húmedo
Es la lectura obtenida mediante un termómetro introduciendo en la mezcla aire-vapor de
agua.
2.2 PROPIEDADES DEL VAPOR DE AGUA
El aire húmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor. El vapor en el aire es esencialmente
vapor sobrecalentado a baja presión parcial y temperatura.
El peso molecular del agua es 18.01534. la constante de los gases para el vapor de agua puede
calcularse con:
Rw = 8314.41/ 18.01534 = 461.52 m3 Pa /Kg K
2.2.1 Volumen específico de vapor de agua 1
WV (Volumen Húmedo)
Es el volumen que ocupa 1Kgr aire seco más el del vapor de agua presente.
Por debajo de los 66 ºC, el vapor saturado o sobre saturado sigue las leyes de los gases,
de manera que para determinar sus propiedades puede utilizar la ecuación:
w
Aw
Wp
TRV 1
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Donde:
Pw = presión parcial de vapor de agua KPa
V1 w = Volumen especifico del vapor de agua (m3 /Kg)
Rw = Constante de los gases para el vapor de agua ( m3 Pa/Kg)
TA = temperatura en K
(Volumen Húmedo) Es el volumen que ocupa 1Kgr de aire seco más el del vapor de agua
presente
airemolKmolK
mV m 1
1
4.22 31
2.2.2 Calor Específico del Vapor de Agua
Está comprobado experimentalmente que el calor específico de vapor saturado como de so-
bre saturado no varía apreciablemente dentro del intervalo de temperatura comprendido entre
-71 y 124° C, tomándose generalmente un valor de 1.88 KJ/ Kg . ºK.
2.2.3 Entalpia del vapor de agua (Hw)
CreferenciadeaTemperaturT
CambienteaTemperaturT
KgKJH
TTH
o
a
W
oAW
./
88.14.2501
2.3 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS AIRE -VAPOR
Las mezclas aire - vapor no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales, aunque estas
pueden utilizarse con suficiente precisión a presiones inferiores a 3 atm.
2.3.1 Ley de Gibbs - Daltón
La mezcla aire vapor de agua existentes en la atmosfera siguen la ley de Ley de Gibbs -
Daltón de forma que la presión ejercida por una mezcla de gases es la misma que la suma de
las que ejercieran los gases constituyentes por separado.
PB = PA + PW
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PB = Presión total o presión barométrica del aire húmedo (Kpa)
PA = Presión total o presión ejercida por el aire seco (Kpa)
PW = Presión total o presión ejercida por el vapor de agua (Kpa)
2.3.2 Temperatura de rocío.
Es la temperatura a la cual la mezcla aire-vapor de agua se satura cuando se la enfría a pre-
sión y humedad constante, fuera del contacto con agua hasta condensar.
El punto de rocío se puede determinar mediante la tabla de vapor de agua
2.3.3 Punto de roció
El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a baja presión. El aire
se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación correspondiente a la pre-
sión parcial ejercida por el vapor de agua. Dicha temperatura del aire se denomina temperatu-
ra (o punto) de rocío. El punto de roció se puede determinarse mediante la tabla de vapor ele
agua; por ejemplo, si la presión parcial del vapor de agua es 2.064 KPa, la temperatura de ro-
ció) puede obtenerse directamente como la correspondiente a la temperatura ele saturación;
esto es, 18°C.
El concepto de punto) de rocío se expresa así: cuando una mezcla aire-vapor se enfría a pre-
sión y relación de humedad constante, alcanza una temperatura en la que la mezcla se satu-
ra, y por debajo de la cual se produce condensación de la humedad. La temperatura a la que
comienza la condensación es la que se denomina temperatura de rocío.
2.3.4 Humedad Absoluta (Y).
Es el contenido de humedad de una mezcla aire – vapor de agua, expresado como la relación
entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco.
Si se asume el comportamiento de gas ideal:
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aguaTagua
TaguaTTaguaTaireaireTTaire
TaguaTaguaaguaaguaTaguaagua
TaguaTTaireaireTaguaagua
pPpY
PpPPpPMmPpP
PpPpMmPp
mezclademolbasecomoTomando
PpPPpYPpY
agua
/622.0
/97.28/./
/02.18/./
:1
///
2.3.5 Humedad absoluta de saturación sY .
Es el contenido de humedad de una mezcla aire - vapor de agua que a una determinada
temperatura ejerce una presión parcial igual a la presión de vapor del agua como líquido puro,
encontrándose el aire saturado, y expresado como la relación entre la masa de vapor de agua
y la masa de aire seco.
aguaTaguas PPPY º/º622.0
2.3.6 Humedad relativa (HR)
Relación entre la presión parcial que ejerce el vapor de agua en la mezcla aire-vapor de agua
y la presión de vapor del agua como líquido puro a la misma temperatura.
También se puede definir la humedad relativa como la relación entre la fracción molar del
vapor de agua existente en una determinada muestra de aire húmedo y la existente en una
muestra saturada a la misma temperatura y presión.
HR = ( xw/ xws ) 100 HR = (pw/ pws ) 100 Donde:
pws = presión de saturación del vapor de agua
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En condiciones en que se cumple con la ley de los gases ideales, la humedad relativa se ex-
presa como el cociente entre la densidad del vapor de agua en el aire y la densidad del
vapor de agua saturada a la temperatura de bulbo seco del aire.
HR = (ρw/ρs ) 100
Donde:
ρw = Densidad del vapor de agua en el aire Kg/m3
ρs = Densidad del vapor e agua saturado a la temperatura de bulbo seco del aire Kg/m3
aguaPpagua
º/HR
2.3.7 Temperatura de bulbo húmedo wt
Es la temperatura estacionaria alcanzada por una pequeña cantidad de agua evaporándose
dentro de una gran cantidad de aire no saturado. Cuando el flujo de transferencia de calor
por convección desde la superficie húmeda hacia el seno del aire, es que se alcanza esta
temperatura estacionaria de equilibrio.
wwYwGC YYktth .
airegrKOHgrKtasaturaciódeabsolutahumedadY
tasaturaciódeabsolutahumedadY
taagualdeónvaporizacidelatentecalor
masadeciatransferendeecoeficientk
convecciónporcalordeciatransferendeecoeficienth
G
ww
ww
Y
C
/. 2
2.3.8 Volumen húmedo (VH): Es el volumen ocupado por la mezcla aire – vapor de agua,
expresado como el volumen de una unidad de masa del aire seco y del vapor de agua que se
encuentra presente en el aire. Para una mezcla de humedad absoluta Y, a la temperatura Gt
y a la presión total atmPT 1 , aplicando las leyes de los gases ideales:
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oaireKgmezclamtYV
oairelbmezclapietV
GH
GH
sec/273.00456.000283.0
sec/460.0405.00252.0
3
3
2.3.9 Calor húmedo :SC Es la capacidad calorífica de una mezcla aire – vapor de
agua, expresada en base a una unidad de masa de aire totalmente seco.
YCCCaireaireP PS .
Dentro del intervalo de condiciones con que se trabaja, se puede suponer que las capacida-
des caloríficas del aire y del vapor de agua son constantes.
KKgKJYC
FlbBTUYC
S
S
º/884.1005.1
º/45.0240.0
2.3.10 Entalpía GH .
La entalpía de una mezcla aire - vapor de agua es la suma de la entalpía del aire seco y la
del vapor de agua que contiene, expresada en base a una unidad de masa de aire totalmen-
te seco.
.oo
o
ooGaguaPoGairePG
taaguadelónvaporizacidelatentecalor
referenciadeatemperaturt
ttCYttCH
En los diagramas psicométricos las temperaturas de referencia varían. Por ejemplo cuando
se toma t0 = 0 ºF para el aire y t0 = 32 ºF para el agua
o 1075.8BTU/lb agua) la entalpía se evalúa por:
4.106145.024.0 GGG tYtH BTU/lb aire seco
2.4 SATURACION ADIABATICA DEL AIRE
Este fenómeno se aplica en el secado de alimentos por convicción no existe ganancia ni pérdida de
calor con respecto a los alrededores por eso es adiabático. El calor sensible del aire que entra se
transforma en calor latente. Se expresa como:
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caloríf icacapacidadC
ónvaporizacidelatentecalorH
YYC
TT
YY
H
CT
Y
YYHT
s
L
s
GGL
s
GLG
2/88.1005.1
88.1005,1
21
1
12
1
121
2
2
Ecuación de Carrier
Relaciona presiones parciales y temperaturas de las mezclas aire – vapor está dado por:
ChúmedobulboaTemperaturT
CobulbodeaTemperaturT
PaKhúmedobulboatemperaturlaaaguadevapordelsaturacióndeesiónP
PaKcabariométriesiónP
PaKrocíodeatemperaturlaaaguadevapordeparcialesiónT
donde
T
TTPPPP
w
a
wb
B
w
w
wawbBwbw
º
.ºsec
Pr
Pr
Pr
:
722.056.1555
Ejemplo Nº 1
Aire, con unas temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo de 60 º C y 27.5 º C, respectivamente y
una humedad de 0.01 Kg de agua /Kg de aire seco, se mezclan adiabáticamente con agua y se en-
fría y humidifica hasta alcanzar una humedad de 0.02 Kg de agua/ Kgr de aire seco. ¿Cuál es la
temperatura final del aire acondicionado?
Datos:
Temperatura bulbo seco 60 ºC
Temperatura bulbo húmedo 27.5 ºC
Humedad inicial Y1 = 0.01 Kgr H2O/Mg aire seco
Humedad final Y2 = 0.02 Kgr H2O/Mg aire seco
De tablas calor latente de vaporización a 27.5 ºC = 2436.37 K /Kg
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CT
T
salida
salida
º4.36
015.088.1005.1
01.002.037.243660
Ejemplos Nº 2
Determinar la temperatura de rocío, volumen húmedo, la humedad y la humedad relativa del aire
que presenta una temperatura de bulbo seco de 40º C y una temperatura de bulbo húmedo de 30 º
C.
Datos:
Ta bulbo seco 40 º C
Tw bulbo húmedo 30 º C
De tablas se halla
Presión de vapor 40 º C 7.384 K Pa
Presión de vapor 30 º C 4.246 K Pa
Con la Ecuación de Carrier
PaK 30613
30722.056.1555
3040246.4325.101246.4
722.056.1555
w
w
w
wawbB
wbw
P
P
T
TTPPPP
De tablas se obtiene la temperatura correspondiente a 3.163 K, es igual a 27.2 º C
Cálculo de la humedad
oaireKgOHKgrY
oaireKgOHKgY
PPPY wTw
sec/023.0
sec/023.0613.3325.101
613.3622.0
/622.0
2
2
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Calculo de Volumen Húmedo
oaireKgmV
V
YTVTambién
P
TRV
m
m
m
w
Aw
m
sec/918.0
18
023.0
29
14.2240.082.0
1829
1.4.22082.0
31
1
11
Calculo de Humedad relativa
%9.4810384.7
613.3
100
HR
P
PHR
o
w
w
2.5 DIAGRAMA PSICROMETRICO
En cualquier proceso de secado, suponiendo que hay un adecuado suministro de calor, la tempera-
tura y la velocidad a la cual ocurre la vaporización de ésta en el gas de arrastre.
Como se ha mencionado, en la mayoría de los casos la humedad a evaporar es el agua mientras
que el gas de arrastre es el aire. Por tanto el diagrama conocido como Diagrama Psicrométrico o
Carta de Humedad, donde se representan en forma gráfica las diversas propiedades para los siste-
mas aire- vapor de agua a la presión atmosférica, es de particular importancia para el secado.
El diagrama psicrométrico permite calcular diferentes procesos le acondicionamiento de aire. Gene-
ralmente, es posible describir un procese localizando en el diagrama determinados puntos, así como
trazando líneas que describen los cambios psicrométricos ocurridos. El valor de estos análisis radica
en la rápida estimación de la información necesaria para el diseño del equipo utilizado en diferentes
plantas de procesado y almacenamiento de alimentos, entre las que pueden citarse el acondiciona-
miento de aire, calentamiento, secado, enfriamiento por evaporación y humidificación, así como la
deshumidificación del aire. Seguidamente se muestran algunos de los procesos que presentan im-
portantes aplicaciones en el procesamiento de alimentos
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Los parámetros de mayor importancia para el sistema aire-vapor de agua, que en su mayoría se
representan en el diagrama, son los siguientes:
Fig. Nº 2.1 Diagrama psicrométrica
2.5.1 USOS DEL GRAFICO PSICROMETRICO
Los gráficos psicrométricos dan las siguientes propiedades termodinámicas del aire húmedo
a 1 atmósfera: temperatura de bulbo seco; temperatura de bulbo húmedo; temperatura de
rocío (o saturación); humedad absoluta; humedad relativa; volumen específico y entalpía.
Si se conocen dos de estas propiedades, puede determinarse el estado del aire con la carta
psicrométrica, y pueden leerse los valores restantes en las líneas adecuadas que pasan por:
Fig. Nº 2.2 Esquema de carta psicrométrica representación grafica del equilibrio del sistema aire - agua a una p dada
este punto
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ORDENADA: Humedad absoluta (Y)
ABCISA: Temperatura real o de bulbo seco (T)
La línea de saturación divide el diagrama en dos zonas:
1F: Mezcla aire- agua no saturadas (debajo)
2F: aire sobresaturado + agua líquida (arriba)
Para aire saturado las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y punto de roció son idén-
ticos
Fig. Nº 2.3 Identificación de temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y punto de roció par aire saturado.
Líneas de saturación adiabática
Aproximadamente iguales a las líneas de Tw
Líneas de entalpia Kj / KgAS
Se representa con líneas casi paralelas a las de saturación adiabática, todas las
mezclas de la misma recta de saturación adiabática (a la misma Tw o Ts), tienen la misma H
Líneas de volumen especifico (m3 / KgAS )
Similares a las de saturación adiabática pero más inclinadas
Para un aire saturado las temperaturas del punto de Rocío, temperatura húmeda y temperatu-
ra seca son iguales.
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LECTURA DE PROPIEDADES
En un punto cualquiera del diagrama conoceremos (T, Y)
Con líneas rectas paralela a las de saturación adiabática Hs, Ts
Con líneas rectas paralelas a volumen especifico VE
Dada la pareja de valores Tw y T o Y Y o T, H, VE ,
Dada la pareja de valores Tw y Y, T, H, VE
Temperatura de Rocío
Aire de humedad y temperatura conocida (Y,T) corte con la línea de saturación y lectura so-
bre eje de abscisas
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
A.- Calentamiento o enfriamiento
de aire (Y= Cte.)
B.- Humidificación
C.- Deshumidificarían
D.- Enfriamiento evaporativo
E.- Mezcla adiabática de dos
corrientes de aire
F.- Torres de enfriamiento
Enfriamiento simple la humedad especí-
fica permanece constante, pero la hume-
dad relativa aumenta.
Trocio
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A.- Calentamiento (Y= Cte)
La línea Y constante, en la dirección de aumento de Tseca y disminución de la humedad rela-
tiva.
B.- Enfriamiento (Y= Cte)
La línea Y constante, en la dirección de disminución de Tseca con aumento de la humedad
relativa.
Balance de materia
mG1 = mG2 = mG
Y1 = Y2
Balance de energía
Q= mG(H2 –H1)
C.- CALENTAMIENTO CON
HUMIDIFICACION
- Permite eliminar los problemas
asociados a Una humedad relativa bajo El aire pasa por una sección de calenta
miento (Proceso 1-2) y después por una sección de humidificación (proceso 2-3)
- Humidificación con vapor de agua produce calentamiento adicional (T3 > T2)
- Humidificación por rociado de agua provoca enfriamiento de la corriente calentada
Calentamiento simple la humedad es-
pecífica permanece constante, pero la
humedad relativa disminuye.
CALENTAMIENTO CON HUMIDIFICA-
CION
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 18 -
(T3 < T2), necesario calentar a temperatura más alta en la sección de calentamiento
para compensar el enfriamiento durante la humidificación.
D.- ENFRIAMIENTO CON HUMIDIFICACION
Necesario si la humedad relativa
alcanza niveles extremadamente
altos durante el enfriamiento
a Y = cte.
El aire caliente y húmedo entra en
la sección de enfriamiento, su T
disminuye y su humedad relativa
aumenta a Y = cte.
Si la sección de enfriamiento es
suficientemente largo el aire sale
saturado.
El enfriamiento adicional del aire provocará la condensación de parte la humedad.
El aire permanece saturado durante todo el proceso de condensación, sigue la línea de
saturación hasta el estado 2
E.- ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO
Aire caliente y seco entra en el enfriador Evaporativo (estado 1) donde se rocía
con agua líquida.
Parte del agua se evapora durante este Proceso al Absorver calor de la corriente
de aire.
La temperatura del aire disminuye y su humedad Aumenta (estado 2)
ENFRIAMIENTO CON HUMIDIFICACION
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 19 -
En el caso limite el aire saldrá
saturado (temperatura más baja
que puede alcanzarse Con este
proceso) (estado 2)
Enfriamiento evaporativo similar
al proceso de saturación adiabática
El proceso de enfriamiento sigue
una línea de saturación adiabática.
F.- MEZCLA ADIABATICA DE DOS CORRIENTES
Cuando dos corrientes de aire en dos estados diferentes (1,2) se mezclan adiabáticamen-
te, el estado de la mezcla final (3) estará sobre la línea que conecta los dos estados 1
y 2 en la carta psicométrica.
Balance de materia
Aire = mg1 + mg2 = mg3
Agua = mg1 Y1 + mg2 Y2 = mg3 Y3
Balance de energía
mg1 H1 + mg2 H2 = mg3 H3
mg1 = Y2 + Y3 = Y2 + Y3 mg2 Y3 + Y1 Y3 + Y1
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 20 -
MEZCLA ADIABATICA DE DOS CO-RRIENTES
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 21 -
CAPITULO III
DIFUSION
La difusión es la dispersión de un material en sus alrededores.
3.1 TIPOS DE DIFUSIÓN: Los principales tipos de difusión son:
3.1.1 DIFUSIÓN MOLECULAR. Es el transporte de material a escala molecular y a través
de un fluido inmóvil. O bien, si el fluido posee flujo laminar, en una dirección perpendicular al
flujo principal.
3.1.2 DIFUSION EN REMOLINO. Se refiere a los procesos de transferencia de masa que
implican movimiento global del fluido. En la práctica los dos tipos de difusión se encuentran
mezclados pero son los procesos de difusión molecular quienes principalmente influyen
en muchas situaciones debido a que implican la transferencia de masa sobre la capa límite
que existe en todas las situaciones de flujo y dentro de la matriz del alimento, donde no es
posible en condiciones normales inducir turbulencias.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 22 -
LEY DE FICK
Siempre que existe un gradiente de concentración para un componente determinado en una sola
dirección, su difusión puede ser caracterizada por la primera ley de FICK, que es la siguiente:
Donde:
N = tasa de transferencia de masa o molar Kg/s ó Kmol/s
C = Concentración en masa o molar Kg/m3
ó Kmol/m3
X = Distancia m
D = Coeficiente de difusión ó difusividad
En esta ecuación el coeficiente de difusividad es una medida de la resistencia a la transferencia de
materia. La ecuación es análoga a la ecuación de Fourier.
En condiciones de estado estacionario, es decir cuando la concentración permanece constante en
cualquier punto, la expresión pasa a ser: x
CDN
Esto se aplica tanto a la difusión de gases como de sólido y líquidos (Fig. 3.1)
C
x
Fig. 3. 1 Difusión a través de un gradiente de concentración.
3.1.3 DIFUSIÓN GASEOSA.
Para la difusión de gases y vapores, el término de concentración en la ley de Fick puede ser
sustituido por la presión parcial, empleando la siguiente relación para un gas ideal:
dx
dCDN
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 23 -
Dónde:
AC = Concentración molar de A
Ap = Presión parcial de A
Por consiguiente la tasa de transferencia molar de difusión se convierte en:
En la difusión gaseosa se consideran dos casos:
a.- Contradifusión equimolecular
b.- Difusión de un gas a través de una capa inmóvil.
3.1.4 CONTRADIFUSION EQUIMOLECULAR.
La contra difusión equimolecular a parece cuando el número de moles de un componente A
que se mueve en una dirección es igual al número de moles del componente B moviéndose
en la dirección opuesta. Es decir BA NN
AN
1Ap
2Ap
1Bp
2Bp BN
x
Fig. Nº 3.2 Contradifusión equimolecular.
RT
pC A
A
AA pRT
DN
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 24 -
Por tanto, la concentración molar total permanece constante a través de la interfase ( ejem
plo, la operación de destilación ) bajo estas condiciones, la tasa de difusión del componente
A viene dada por:
)( 2! AA
AA pp
RTx
DN
3.1.5 DIFUSION DE UN GAS A TRAVES DE UNA CAPA INMOVIL
Esto tiene lugar cuando un gas o vapor A se mueve dentro de una segundo gas inmóvil B. en
este caso, 0BN . El componente B no difunde, sino que mantiene su gradiente de con-
centración por rozamiento intermolecular entre A y B. La fig. 3.3 representa la difusión del
vapor de agua a través de una capa inmóvil de aire de espesor x, y está dado por la ecua
ción siguiente:
)( 21 ww
Am
Tw
A ppp
p
RTx
DN
(1)
Dónde:
Dw = Coeficiente de difusión del vapor de agua en el aire
Pt = Presión total
pw1 – pw2 = Fuerza directora de la presión de vpor del agua
pAm = Presión media del gas que no difunde a través de la película. KN/m2
R = 8.314 Kmol/Kg °K constante de los gases
T = Temperatura °K
2122 , wAw pppp
----------------------o-----------
X
____________________
1!11 , waw pppp
Fig. Nº 3.3 Difusión a través de una capa inmóvil
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 25 -
Cuando la diferencia de presiones parciales a través de la película es pequeña, se puede
utilizar una media aritmética para la presión media del gas que no difunde; para presiones
parciales superiores se precisa emplear una media logarítmica.
Cuando la presión parcial del material que difunde es baja en comparación con la presión to
tal, el error que conlleva el uso de la media aritmética es pequeño. En tales situaciones, se
deduce que la presión media del gas que no difunde es aproximadamente igual a la
presión total. Por lo tanto la ecuación anterior se convierte en:
)( 21 ww
wA pp
RTx
DN
(2)
Cuando Amp viene expresado como un valor de media logarítmica en función del compo
nente que difunde, su valor pasa a ser:
)/()(ln
)()(
12
12
wTwT
wTwT
Ampppp
ppppp
)/ln( 12
21
AA
ww
Ampp
ppp
Sustituyendo Amp en la ecuación (1), se tiene:
1
2lnA
AT
wA
p
pp
RTx
DN
La difusividad de algunos gases y vapores comunes en aire se muestran en la tabla Nº 3.1;
la difusividad está influida por la temperatura y la presión. A presión constante, la difusividad
varía aproximadamente como 75,1 y, en condiciones de temperatura constante, aproxima
damente como el inverso de la presión.
Tabla Nº 3.1 DIFUSIVIDAD DE MASA PARA GASES ES AIRE A 25° C Y 1 Atm
Gas Difusividad m
12 S Gas
Difusividad m12 S
Amoniaco 27,9x106
Hidrogeno 41,3x106
CO2 16,5x106
Oxigeno 20,6x106
Etanol 11,9x106
Vapor de agua
25,5x106
Fuente: Datos de Schartzberg y Chao (1982)
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 26 -
3.2 DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA DIFUSION
Para estimar la difusividad de los vapores se puede instalar un equipo, que consiste en un
tubo de diámetro pequeño se cierra en un extremo y se llena con un líquido. Una suave co
rriente de aire se dispone sobre la superficie, manteniendo el líquido y el tubo a temperatura
experimental requerida Fig Nº 3.4
La cantidad de m de líquido evaporado en un tiempo t determinado se registra una distan cia
x. La tasa de difusividad molar del componente A a través del componente B no difundente
se evalúa con:
Fig Nº 3.4 Difusividad De Los Vapores
)( 21 aa
Bm
Tw
A ppp
p
RTx
DN
AN tM
m
Donde:
M = es el peso molecular del material
Luego:
tM
m)( 21 aa
Bm
Tw ppp
p
RTx
D
Donde:
1ap = Presión parcial de A en la interfase (tablas de presión de vapor saturado)
2ap = Presión parcial de A en el aire (se puede medir o suponer nula si la tasa de flujo es eleva
do)
x = Espesor medio de la película durante la duración del experimento.
2ap Agua
P 1A
X
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 27 -
BLACKHURST et Al (1974) demostraron que, si la altura es 1x y la altura tras el tiempo t es 2x
entonces:
)/ln(2
)(
21
2
1
2
2
BBtT
L
ppMp
xxRTD
Donde:
1Bp = Presión parcial del aire en el medio (gas no difundente)
2Bp = Presión parcial del aire en la interfase (igual a sT pp donde sp es vapor saturado)
L = densidad del líquido.
3.3 DIFUSIVIDAD EN LIQUIDOS
La difusividad de los componentes de un líquido está relacionada con la tasa de transferencia de
masa, por la ley de Fick.
dx
dCDN
En esencia, estos métodos implican la medición del cambio en la concentración cuando un sistema
esencialmente en estado de equilibrio es sometido a un cambio discreto en la concentración, utili-
zando ecuaciones de transferencia de masa en estado no estacionario.. La difusividad de un gas en
un líquido se mide haciendo pasar un chorro laminar de líquido a través de un gas y determinando la
tasa de adsorción.
El aumento de la temperatura incrementa la difusividad significativamente. La ecuación de Sto-
kes- Einstein predice que la difusividad está relacionada con la temperatura y la viscosidad
en la siguiente ecuación:
kD
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 28 -
TABLA Nº 3.2 DIFUSIVIDADES DE COMPUESTOS EN AGUA
SUSTANCIA TEMPERATURA °C DIFUSIVIDAD
12 sm
Oxigeno 25 2,07 x 10
9
Nitrógeno 25 1,90 x 10
9
Dióxido de carbono 25 1,98 x 10
9
Glucosa 25 0.67 x 10
9
Sacarosa 25 0.52 x 10
9
Glicerol 25 0.94 x 10
9
Ácido acético 25 1.24 x 10
9
Almidón soluble 0.10 x 10
9
Etanol 25 1.28 x 10
9
Cloruro de sodio 1,611 x 10
9
Fuente: Datos de Schartzberg y Chao (1982)
3.4 DIFUSION DE SÓLIDOS
La difusión en la fase sólida es más compleja que la difusión en un líquido o un gas, debido a que, si
bien el producto puede parecer que difunde en el interior del sólido, puede en realidad estar difun-
diendo a través del líquido contenido dentro de ese sólido o a través de la fase gaseosa en un sólido
poroso. Por esta razón, las difusividades en sólidos se conocen muy poco.
En las operaciones de lixiviación la difusión tiene lugar principalmente dentro de la solución ocluida;
la ganga restringe el proceso de difusión y afecta la forma considerable su velocidad.
Por consiguiente, cuando un material está siendo lixiviado de un sólido seco, el sólido debe primero
embeber el solvente a fin de disolver el soluto externo, antes de que comience la difusión.
No obstante, los procesos de difusión se basan normalmente en la concentración de soluto en el
sólido más que en el líquido ocluido, ya que así son más fáciles de medir ver ejemplos en tabla N°
3.3
Se debe recordar que los alimentos tienen una estructura compleja, con muchos componentes con-
tenidos en su estructura celular, teniendo a su vez cada célula su propia membrana. Esta estructura
puede haber sido también rota por los procesos de reducción de tamaño tales como la rotura, mo-
lienda o compresión.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 29 -
Tabla Nº 3.3 Difusividades de sólidos en alimentos
Alimento Soluto Solvente T °C Difusividad 121010 sm Comentarios
Gajos de Manzana Azucar Agua 75 11,8 0,9
Remolacha Sacarosa Agua 75 7,2
Café Soluble de café Agua 70-85 0,8-1,1
Habas guisadas Soluble Agua 97-100 3,05 Afectada por tamaño
Pepinillos NaCl Agua 25 5,3-11
Vainitas de soja Aceite Hexano 69 1,13-0,13 Disminuye durante la extrac-
ción
Fuente: Datos de Schartzberg y Chao (1982)
Un segundo tipo de difusión sólida se denomina difusión dependiente de la estructura. Esto hace
referencia a la difusión en sólidos granulados o porosos que permiten el flujo de un líquido o gas a
través del volumen excluido o los capilares de sólidos. Pueden estar involucrados distintos meca-
nismos, tales como difusión el propio sólido, difusión en los poros llenos de gas, flujo capilar como
resultado de gradiente en la presión de la superficie, y flujo convectivo resultante de diferencias en
la presión total,
Es más adecuado determinar una resistencia o difusividad general sin necesariamente tener que
evaluar la contribución de los factores individuales. Con la ley de Fick se pude determinar el valor de
la resistencia, la cual en procesos de transporte de gases o vapores puede ser conocida como coe-
ficiente de permeabilidad general.
3.5 EJERCICOS
Calcular la tasa de difusión del agua a través de una película inmóvil de aire de 3 mm de espesor
cuando el agua se mantiene a 29.5 °C, la presión atmosférica es 101.3 KPa. La presión parcial del
vapor de agua en la corriente de aire es 1,00KPa. La difusión del vapor de agua en el aire es de
25,5 x 610
m2s-1 a 29.5°C
R Constante de los gases 8.314 Kmol °K-1 Kg-1
T Temperatura °K
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 30 -
La presión parcial de vapor de agua en la superficie, se obtiene en la tabla de vapor saturado y es
igual a 4.169 KPa
2122 , wAw pppp KPapKPap wA 0.1;3.100 22
-----------------------o----------- --------------------------------------
x
______________________ _________________________
1!11 , wAw pppp KPapKPap wA 169.4;13.97 12
Cuando se emplea media aritmética para la presión media del aire
PA2 = 101.3 – 1.0 = 100.3 kPa
PA1 = 101.3 – 4.169 = 97.13 KPa
AmP =
KPaPP AA 72.98
2
3.10013.97
2
21
Cuando emplea el valor logarítmico de la media
KPa
P
P
PPP
A
A
AAAm 72.98
13.97
3.100ln
13.973.100
ln1
2
12
En este caso los valores medios son idénticos luego;
NA = Velocidad de transferencia de masa está dado por:
21 AA
Am
TwA PP
RTXP
PDN
00.1169.472.98103298314.8
3.101105.253
6
xxxx
xxN A
NA = 11.15 x 10-6 K mol s-1 m2
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 31 -
C A P I T U L O IV
C O L O R
4.1 HISTORIA DE COLOR
El color, según Isaac Newton, es una sensación que se produce en respuesta a una estimu-
lación nerviosa del ojo, causada por una longitud de onda luminosa. El ojo humano interpreta colo-
res diferentes dependiendo de las distancias longitudinales1.
El color nos produce muchas sensaciones, sentimientos, diferentes estados de ánimo, nos transmite
mensajes, nos expresa valores, situaciones y sin embargo no existe más allá de nuestra percepción
visual.
El color ha sido estudiado, por científicos, físicos, filósofos y artistas. Cada uno en su campo y en
estrecho contacto con el fenómeno del color, llegaron a diversas conclusiones, muy coincidentes en
algunos aspectos o bien que resultaron muy satisfactorias y como punto de partida para posteriores
estudios.
1 Stephen Westland, 2001.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 32 -
El filósofo Aristóteles (384 - 322 AC) definió que todos los colores se conforman con la mezcla de
cuatro colores y además otorgó un papel fundamental a la incidencia de luz y la sombra sobre los
mismos. Estos colores que denominó como básicos eran los de tierra, el fuego, el agua y el cielo.
Siglos más tarde, Leonardo Da Vinci (1452-1519) definió al color como propio de la materia, ade-
lantó un poquito más definiendo la siguiente escala de colores básicos: primero el blanco como el
principal ya que permite recibir a todos los demás colores, después en su clasificación seguía amari-
llo para la tierra, verde para el agua, azul para el cielo, rojo para el fuego y negro para la oscuridad,
ya que es el color que nos priva de todos los otros. Con la mezcla de estos colores obtenía todos los
demás, aunque también observó que el verde también surgía de una mezcla.
Isaac Newton, la luz es color (1642-1519) quien estableció un principio hasta hoy aceptado: la luz
es color.
En 1665 Newton descubrió que la luz del sol al pasar a través de un prisma, se dividía en varios
colores conformando un espectro. Lo que Newton consiguió fué la descomposición de la luz en los
colores del espectro. Estos colores son básicamente el Azul violaceo, el Azul celeste, el Verde, el
Amarillo, el Rojo anaranjado y el Rojo púrpura. Este fenómeno lo podemos contemplar con mucha
frecuencia, cuando la luz se refracta en el borde de un cristal o de un plástico. También cuando llue-
ve y hace sol, las gotas de agua de la lluvia realizan la misma operación que el prisma de Newton y
descomponen la luz produciendo los colores del arco iris.
Así es como observa que la luz natural está formada por luces de seis colores, cuando incide sobre
un elemento absorbe algunos de esos colores y refleja otros. Con esta observación dio lugar al si-
guiente principio: todos los cuerpos opacos al ser iluminados reflejan todos o parte de los compo-
nentes de la luz que reciben.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 33 -
Fig Nº 4.1 Espectro Cromático de la luz
Fuente: Stephen Westland, 2001.
Por lo tanto cuando vemos una superficie roja, realmente estamos viendo una superficie de un ma-
terial que contiene un pigmento el cual absorbe todas las ondas electromagnéticas que contiene la
luz blanca con excepción de la roja, la cual al ser reflejada, es captada por el ojo humano y decodifi-
cada por el cerebro como el color denominado rojo2
En 1855 Maxwell realiza las primeras medidas visuales para testear la validez de la hipótesis tri-
cromática, prueba su exactitud y unifica las teorías de la época sobre la visión de los colores.
Maxwell fue el primero en determinar cuál es la cantidad de componentes primarios tricromáticos
que igualan a las diversas radiaciones puras del espectro. Las leyes de Grassmann, permite prede-
cir el resultado de cualquier combinación de colores. Dado que en aquella época no existía la posibi-
lidad de producir luz monocromática de alta intensidad por falta de fuentes luminosas adecuadas
como las actuales. Algunos años más tarde, Maxwell realiza la primera fotografía en color, que
ilustra sus investigaciones sobre la trivariancia visual3
4.2 DEFINICIONES DE COLOR
El color es un atributo que percibimos de los objetos cuando hay luz. La luz es constituida por ondas
electromagnéticas que se propagan a unos 300.000 kilómetros por segundo. Esto significa que
nuestros ojos reaccionan a la incidencia de la energía y no a la materia en sí.
2 Stephen Westland, 2001.
3 Mauro Boscarol, 2007.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 34 -
Las ondas forman, según su longitud de onda, distintos tipos de luz, como infrarroja, visible, ultravio-
leta o blanca. Las ondas visibles son aquellas cuya longitud de onda está comprendida entre los 380
y 770 nanómetros.
Fig. Nº 4.2 Espectro visible
Fuente: Stephen Westland, 2001.
Los objetos devuelven la luz que no absorben hacia su entorno. Nuestro campo visual interpreta
estas radiaciones electromagnéticas que el entorno emite o refleja, como la palabra "COLOR".
El color es una sensación que se produce en el cerebro como una respuesta a una percepción del
ojo humano frente a un estímulo. Este estímulo consiste en una luz reflejada (o transmitida) por un
objeto a partir de una iluminación que ha incidido sobre éste.
El color es un factor importante para valorar la calidad de un alimento. Este frecuentemente está
ligado a la maduración, presencia de impurezas, realización apropiada o defectuosa de un trata-
miento tecnológico, malas condiciones de almacenamiento o comienzo de una alteración por micro-
organismos. El color ocupa un lugar preferente en la decisión del consumidor para aceptar o recha-
zar un producto.
El color puede ser cuantificado, pero no se puede usar por sí solo ya que no es reproducible debido
a que hay poca memoria de color. Se pueden establecer comparaciones, aunque la evaluación es
subjetiva.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 35 -
El color es luz reflejada, un pimiento es verde y un tomate es rojo porque su respectiva superficies o
pigmentaciones reflejan las radiaciones verdes o rojas del espectro y absorben las demás: una hoja
de papel es blanca (el blanco es la suma de los colores de la luz) porque refleja todos los colores, y
es negra cuando absorbe todos los colores.
La Comisión Internacional de iluminación CIE (Comission Internationale de l’Eclairage) ha definido el
color en los siguientes términos:
a) Color físico. Característica de la luz física, determinada por la concentración espectral de
la magnitud radiométrica usada en la especificación de la luz (espectro visible del objeto).
El color físico es el resultado de la interacción de la radiación espectro visible (380 - 730 nm) con la
materia del producto observado.
Fig. Nº 4.3 Posición de los colores en el espectro de la luz natural.
Frecuencia THz
Longitud de Onda (nm)
Cuando la luz incide sobre un determinado cuerpo se producen diferentes fenómenos ópticos: di-
fracción, dispersión, transmisión y reflexión.
Según su forma de interacción óptica con la luz, los cuerpos se pueden clasificar en cuerpos trans-
parentes, cuerpos translúcidos y cuerpos opacos, y dentro de estos últimos pueden ser mate o bri-
llante.
El fenómeno óptico que determina el color, de forma predominante en cada caso son los si-
guientes:
Cuerpos transparentes
Aquellos que dejan ver a su través transmisión especular
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 36 -
Cuerpos translúcidos
Aquellos que no dejan ver, pero dejan pasar la luz transmisión difusa
Cuerpos opacos
Aquellos que no dejan pasar la luz, sino la reflejan
Opaco mate reflexión difusa
Opaco brillante reflexión especular
b) Color percibido (psíquico)
Atributo de la percepción visual que se compone de una combinación de contenidos cromá
ticos (tono y pureza) y acromáticos (claridad).
La sensación del color es tridimensional. El ojo aprecia tres características o atributos bien
diferenciados:
El tono, matiz o croma es el atributo que diferencia el color y por la cual designamos los colo
res: verde, violeta, anaranjado.
La saturación, pureza o croma es el colorido del estímulo juzgado en proporción a su lumi
nosidad.
Es la intensidad cromática o pureza de un color Valor es la claridad u oscuridad de un color,
está determinado por la cantidad de luz que un color tiene. Valor y luminosidad expresan lo
mismo
La luminosidad, brillo, es la cantidad de luz reflejada por una superficie en comparación
con la reflejada por una superficie blanca en iguales condiciones de iluminación.
Estas tres características se pueden observar al representar el espectro de la reflexión de la
luz al incidir sobre un objeto, en función de la longitud de onda.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 37 -
Factor de difusión, transmisión o transmitancia
Longitud de onda o reflexión de la luz
c) Color psicofísico
Característica de la luz determinada por valores definidos operacionalmente del color físico,
que se correlaciona con alguna coordenada del color percibido.
La medida del color psicofísico tendrá por objeto cuantificar la sensación llegada al cerebro,
provocada por un determinado estímulo luminoso, en términos de la cantidad de rojo (R), ver-
de (V) y azul ( A ) de dicho estímulo; los cuales pueden ser representados en un diagrama
triangular.
Un estudio de color que proporcione una medida objetiva del mismo y que tenga en cuenta la
respuesta del consumidor, en orden a establecer un control de calidad, deberá ser un estudio
del color psicofísico.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 38 -
4.3 CALCULO DEL COLOR PSICOFISICO
Por inconvenientes matemáticos, de las coordenadas de rojo (R), verde (V) y azul (A) se han
derivado otras coordenadas transformadas X, Y , Z ; las que se denominan Coordenadas
triestímulo del color, las que se relacionan matemáticamente con las primeras.
X representa la cantidad de rojo
Y representa la cantidad de verde
Z representa la cantidad de azul
Las coordenadas triestímulo, expresadas en tanto por uno se denominan Coeficientes tri
cromáticos de color.
ZYX
Xx
;
ZYX
Yy
;
ZYX
Zz
El color percibido tiene tres coordenadas que representan las respuestas de cada foto recep
tor del ojo al estímulo percibido. Estas respuestas dependerán del estímulo luminoso ex
terior y de la respuesta del ojo.
El estímulo exterior dependerá a su vez de la interacción física del objeto con la luz (espectro
visible) y de la distribución espectral del iluminante con que se realiza la observación.
La radiación transmitida por el objeto es función de la que le llegue del iluminante. La radia
ción que llega al ojo viene dada por el siguiente producto:
S .
Donde: S espectro de la fuente luminosa
Espectro del producto: factor de difusión, transmisión o reflexión de la
luz
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 39 -
4.3.1 OBSERVADOR ESTANDAR
En un intento de normalizar la respuesta del ojo para un observador medio, la C I E (1931)
da unas curvas para las respuestas de los fotorreceptores en función de la longitud de onda,
basadas en las curvas de visibilidad del ojo y en función de las coordenadas X , Y , Z .
La figura muestra estas curvas de sensibilidad para el Observador Estándar 2°:
Fig. Nº 4.4 Valores triestimulo de los colores espectrales
En 1964, la C I E define otro observador que contempla un ángulo de visión mayor y que es
el Observador Estándar 10°
4.3.2 FUENTES ESTANDAR
Normalmente se observan los objetos con luz solar o luces blancas que intentan reproducirla.
Con el objeto de normalizar los cálculos de las coordenadas de color, la CIE ha definido una
serie de fuentes estándar blancas con unas características de distribución espectral determi
nadas.
Dichas fuentes son:
Fuente A : Bombilla con filamento de tungsteno y atmósfera gasesosa.
Temperatura de color 2848 °K
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 40 -
Fuente C : Temperatura de color 6770 °K
Fuente D55 : Temperatura de color 5500 °K
Fuente D65 : Temperatura de color 6500 °K
Fuente D75 : Temperatura de color 7500 °K
Se define como temperatura de color de una fuente luminosa como la temperatura que ha
de tener un cuerpo negro para que su espectro de emisión coincida con el de la fuente.
4.3.3 CALCULO DE LAS COOORDENADAS TRIESTIMULO DE COLOR
La cuantificación de las coordenadas X, Y , Z se hace a partir del espectro de la muestra o
difusor (factor de difusión , transmisión o reflexión
, en función de la longitud de onda
), de los coeficientes de distribución del observador estandar ( x , y , z ) y del es
pectro de emisión de la fuente estandar S .
Estas se calculan mediante las siguientes relaciones :
X =
k . x .
. S .
Y =
k . y .
. S .
Z =
k . z .
. S .
Por otro lado, también se pueden definir las coordenadas triestímulo de la fuente luminosa:
X =
k . x . S . = xS
Y =
k . y . S . = yS
Z =
k . z . S . = zS
Donde Sx , Sy , Sz son los coeficientes de distribución del sistema estándar utilizado
en la cuantificación del color (observador / iluminante), que están tabulados con un in
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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cremento de longitud de onda de 5 nm. El valor de k se calcula para que la coordenada
triestímulo Y del iluminante sea 100.
La luminosidad del estímulo es proporcional a la de la fuente considerada y viene dada por :
= 'L
L
Dónde : L = luminosidad del estímulo (producto) = Y producto
L’ = luminosidad de la fuente = Y iluminante
= factor de difusión, transmisión o reflexión
Si se hace que la luminosidad de la fuente sea L’ = 100 = 100
productoY
Luego Y expresa, en porcentaje, el valor del factor de difusión de luz de la muestra (lumino
sidad o claridad).
Tomando los valores de reflexión o transmitancia a intervalos de longitud de onda, en que se
cumple :
k . x . S . = kx
k . y . S . = ky
k . z . S . = kz
Con los valores de longitud de onda, tomando en el centro de los intervalos de estos valores
de , se tiene: X = kx .
Y = ky .
Z = kz .
Para el cálculo de las coordenadas triestímulo se han utilizado dos métodos normalizados de
ordenadas seleccionadas:
Método que emplea 30 longitudes de onda, seleccionadas para el cálculo de cada
coordenada triestímulo (90 en total).
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Método que emplea 10 longitudes de onda, seleccionadas para el cálculo de cada
coordenada triestímulo (30 en total).
El primer método tiene un error aproximado del 1 % con respecto al espectro, mientras que el
segundo tiene un mayor error.
En la tabla Nº 4.1 adjunta, se presentan los valores de las longitudes de onda seleccionadas
para cada uno de estos métodos. También se dan los valores de las constantes kx, ky ,
kz en cada caso. El sistema estándar considerado es el Observador 2° y el iluminante C.
Para el cálculo de las constantes, si el difusor de luz es perfecto = 1
luego las coordenadas son:
X = n . kx Y = n . ky Z = n . kz
kx = n
Xn ky =
n
Yn kz =
n
Zn
4.4 ESPACIO DE COLOR - SÓLIDO DE COLOR
Las coordenadas colorimétricas pueden considerarse como coordenadas que sitúan a un co
lor en un determinado espacio, que tendrá evidentemente tantas dimensiones como
coordenadas se necesitan para especificar un color.
El Sistema CIE define el espacio de color como la representación geométrica de los colores
en el espacio y el sólido de color como la parte limitada del espacio de color que contiene la
representación geométrica de colores de unas características determinadas.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Tabla Nº 4.1 COORDENADAS SELECCIONADAS PARA EL CÁLCULO DE LOS VALORES TRIESTIMULO (Con iluminante C)
X Y Z 424.4 nm 465.9 nm 414.1 nm 435.5 * 489.4 * 422.2 * 443.9 500.4 426.3 452.1 508.7 429.4 461.2 * 515.1 * 432.0 * 474.0 520.6 434.5 531.2 525.4 436.5 544.3 * 529.8 * 438.6 * 552.4 533.9 440.6 558.7 537.7 442.5 564.1 * 541.4 * 444.4 * 568.8 544.9 446.3 573.2 548.4 448.2 577.3 * 551.7 * 450.1 * 581.3 555.1 452.0 585.0 558.5 454.0 588.7 * 561.9 * 455.9 * 592.4 565.3 457.9 596.0 568.9 459.9 599.6 * 572.5 * 462.0 * 603.3 576.4 464.1 607.0 580.4 466.3 611.0 * 584.8 * 468.7 * 615.0 589.6 471.4 619.4 594.8 474.3 624.2 * 600.8 * 477.7 * 629.8 607.7 481.8 636.6 616.1 487.2 646.0 * 627.2 * 496.1 * 663.0 647.4 511.2
* Ordenadas seleccionadas cuando se usan 10 de ellas. Factores para 30 coordenadas: kx = 0.03269 ky = 0.03333 kz = 0.03938 Factores para 10 coordenadas kx = 0.09806 ky = 0.10000 kz = 0.11814
Hay un único espacio de color y muchos sólidos de color.
Como normalmente el manejo de representaciones espaciales es incómodo se sustituyen los
sólidos de color por diagramas cromáticos bidimensionales (Diagramas de cromaticidad x, y)
4.5 SISTEMA CIE
Sistema CIE se basa en las pautas físicas de longitud de onda, pureza de excitación e inten-
sidad luminosa, que representan variables específicas y universales.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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También llamado Sistema ICI, se basa en datos de medición con los cuales los colores pue-
den ser conseguidos mezclando las proporciones adecuadas de los tres colores primarios
aditivos: rojo, verde y azul. Para asegurar una exactitud completa, todos los factores implica-
dos en la obtención de las mediciones están estrictamente estandarizados. Los resultados
obtenidos son trasladados al llamado "diagrama cromático" o Diagrama CIE.
Para expresar un color según este sistema, se tienen en cuenta los siguientes factores:
Cuanto más puro es un color (mayor saturación), más cerca estará del límite externo del
diagrama;
Cuanto más bajo sea su grado de saturación (más diluido en gris), más cercano será su
posición con respecto al punto neutro.
En el Diagrama CIE, un color dado aparece indicado en relación con todos los demás colo-
res, sin embargo, al ser solo una representación bidimensional de color, este tipo de diagra-
ma únicamente indica dos de las cualidades de un color: el tono y la saturación.
Fig. Nº 4.5 Diagrama CIE
Fuente: Stephen Westland
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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El tono está especificado en función de la longitud de onda dominante. Para encontrar ésta,
el punto de posición del color en el diagrama es unido con el punto neutro mediante una línea
recta. Esta línea es entonces prolongada hasta que corta la línea en forma de herradura que
limita el diagrama. La longitud de onda representada por este punto de intersección de las
dos líneas es la longitud de onda dominante para el color en cuestión. Si este color pertenece
a los magentas o púrpuras (que no tienen longitud de onda propia al no aparecer en el espec-
tro), la línea que une posición de color con punto neutro se extiende más allá del punto neu-
tro, hasta encontrarse con la línea en forma de herradura. En este caso, el tono viene dado
en función de las longitudes de onda de su complementario en verdes o azules-verdes
4.6 DIAGRAMA CROMÁTICO C I E
La C I E recomienda la representación de un color en un diagrama donde se representan las
coordenadas ―x‖ e ‖y‖. El tercer valor de la coordenada cromática ―z― queda especificado
por la diferencia hasta la unidad de (x + y).
Si se representan las coordenadas ―x‖ e ―y― de los colores espectrales puros aparece una
curva abierta en forma de herradura, donde están todos los colores observables con una
cromaticidad diferente.
A partir de este diagrama se puede obtener información de coordenadas de color más rela
cionadas con el color percibido: tono (obtenido por la longitud de onda dominante), saturación
o pureza de color.
Longitud de onda dominante. Es el estímulo monocromático que añadido a uno acromático
(blanco o gris) iguala el color del estímulo considerado.
En el diagrama x y se obtiene uniendo el punto representativo del blanco con el del estímu-
lo, y prolongando la línea recta hasta cortar el borde de la herradura. El valor obtenido se-
rá la longitud de onda dominante D .
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Fig. Nº 4.6 Diagrama tridimensional de los valores triestímulos X, Y, y Z
Pureza de color. La pureza de color se define por la fórmula:
Py y
y y
e n
D n
ó
Px x
x x
e n
D n
Donde los subíndices se refieren a: e Estímulo considerado
n Iluminante
D Longitud de onda dominante
En el Grafico se muestra el circulo cromático muestra una gama de saturación total entre ca
da uno de los tonos que lo componen
4.7 MEZCLA ADITIVA DE COLORES
Dados dos colores A y B representados en el diagrama x y, un color mezcla de ambos es ta-
rán situados en la recta que los une en el diagrama, y a una distancia proporcional al peso
específico de cada uno en la mezcla M, según la regla de la palanca:
m AM m BMA B. .
Forma mezclan los colores adyacentes formando así una gama de intensidades diferentes,
por ejemplo mezclando el verde y amarillo se obtiene toda la escala entre estos dos, así con
todos los colores y en cualquier posición. De esta manera forma un círculo cromático.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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4.7.1 Ecuaciones Básicas
A diferencia del sistema de mezclas aditivas (aplicable sólo a las luces) las mezclas de colo
res sustractivos es aplicable al uso de pigmentos. En este sistema se utilizan los colores se
emplean filtros de los nuevos colores generados; cian, magenta y amarillo
Ciam + Amarillo = Verde Ciam + Magenta = Azul Magenta + Amarillo = Rojo
Vemos sobre, un substrato blanco que refleja 100% de la luz está impreso con una 17% pan-
talla de magenta, una 100% pantalla de azul verdoso, y una 87% pantalla de amarillo. El ma-
genta substrae las longitudes de onda verdes, el azul verdoso substrae las longitudes de on-
da rojas, y amarillo substrae las longitudes de onda azules de la luz. La luz reflejada, enton-
ces, de hecho a 0% de las longitudes de onda rojas, 44% de las longitudes de ondas ver-
des, y 29% de las longitudes de onda azul.
Fig. Nº 4.7 Reflexión especular
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4.7.2 Colores complementarios
Dos colores son complementarios cuando su mezcla da un color blanco o gris. Los colores
situados a la misma distancia del blanco, en una recta que pase por él, son complementarios.
Para los colores púrpura no se puede dar la longitud de onda dominante, pero sí la longitud
de onda complementaria.
4.8 ESPACIOS UNIFORMES DE COLOR
Una de las razones principales que justifican el empleo de escalas uniformes de color es la
simplificación en el estudio de tolerancias de color (diferencia de color para un determinado
producto con respecto a un color estandarizado para el mismo). Los intentos de uniformizar
escalas de color emplean en su interpretación las magnitudes psicológicas: luminosidad o
claridad, tono y saturación.
4.8.1 MODELO CIELAB - CIELUV
Se puede considerar como una respuesta de los observadores patrones a un estímulo lumi
noso, es decir, trata de imitar a unos observadores reales.
Es un sistema coordenado cartesiano definido por tres coordenadas colorimétricas L*, a*, b*
magnitudes adimensionales que se definen de las siguientes ecuaciones:
Entre los espacios uniformes propuestos, los más utilizados son:
CIELuv y CIELab. Las coordenadas definidas en cada uno de ellos se presentan a continua
ción:
CIELuv
L* = 116 (Y / Yn ) 1/3 - 16
u* = 13 L* ( u’ - u’n )
v* = 13 L* ( v’ - v’n )
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Dónde:
uX
X Y Z'
4
15 3 , v
Y
X Y Z'
9
15 3
El subíndice n hace referencia al iluminante estándar utilizado.
CIELab
L* = 116 ( Y / Yn ) 1/3 - 16
a* = 500 [ ( X / Xn ) 1/3 - ( Y / Yn )1/3 ]
b* = 200 [ ( Y / Yn ) 1/3 - ( Z / Zn )1/3 ]
siendo ( X / Xn ) , ( Y / Yn ) , ( Z / Zn ) > 0.01
En estos espacios de color:
L* = luminosidad y puede tomar los valores entre 0 y 100, para estímulos independientes
toma siempre el valor de 100 y no sirve para su especificación.
a* y b* = Forman un plano perpendicular a la claridad.
Las coordenada a* define la desviación del punto acromático correspondiente a la
claridad, hacia el rojo si a* >0, hacía el verde si a* < 0.
La coordenada b* define la desviación hacia el amarillo si b* >0, hacia el azul si b* <0, como
muestra la figura.
Fig. Nº 4.8 Representación de color CIELAB
Fuente: Stephen Westland, 2001.
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Se define el tono de color (h) como:
h = arc tg ( a / b ) ó h = arc tg ( u / v )
y el croma o saturación ( C ) se puede evaluar como:
C = ( a2 + b2 ) 1/2 ó C = ( u2 + v2 ) 1/2
La diferencia de color (E) entre dos colores A y B, viene definida por:
E = [ ( a )2 + ( b )2 + ( L )2 ] 1/2 ó
E = [ ( u )2 + ( v )2 + ( L )2 ] 1/2
4.9 MEDIDA SENSORIAL DEL COLOR
Existen espacios uniformes de color que no toman como punto de partida inmediata el dia-
grama cromático x y, sino otros esquemas existentes en la aplicación del color artísticas o
industriales.
Muchos de éstos toman en cuenta la visión humana que tiene las siguientes ventajas:
Capacidad discriminatoria
Capacidad integradora
Capacidad analizadora
Entre las desventajas se tienen:
Mala memoria de color
Influencias ambientales: fondo de color, iluminación
Efecto dipolo de la visión humana:
Rojo - verde
Blanco - negro cansancio de la visión humana
Amarillo - azul
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4.10 SISTEMA MUNSELL
Uno de los sistemas color-modelados más influyentes fue inventado por Alberto Henry Mun
sell, un artista americano. Munsell deseó crear una manera "racional de describir color" que
usaría la notación decimal clara en lugar de muchos nombres de color que él considerara
"tonto" y engañoso.
El sistema que él empezó en 1898 con la creación de su esfera colorida, consta básicamente
de tres elementos claves ― Matriz, Valor e Intensidad", cada color posee tiene esta cualida
des, de esta forma dispone ordena y especifica los colores además muestra su relación.
Cada elemento esta descrito por su escala.
La matriz se identifica del 0 a 100 y su símbolo es la H, el rango del Valor es de 0 a 10 y su
símbolo es V, Intensidad tiene la escala es la saturación de un color.
Los colores no representados por muestras reales en este sistema pueden ser identificados
mediante números intermedios.
Fig. Nº 4.9 Rueda de color de Munsell
Munsell llama matriz a la propiedad de poder distinguir entre los distintos colores.
La disposición básica de color es rojo, amarillo, verde, azul, púrpura a los que llama matrices
principales, los dispuso dentro del circulo equidistantes. Fijó cinco matices intermedias: amari-
llo-rojo, verde-amarillo, azul-verde, púrpura-azul y rojo-púrpura, formando diez matices en to-
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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tal, para simplificar su orden tomo cada inicial de cada color como símbolo, con estas designa
las diez matrices, quedando R, YR, Y, GY, G, BG, B, PB, P y RP.
4.10.1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE COLOR (MUNSEL)
Valor.
El valor tiene una escala de 0 a 10 esta va del negro puro al blanco puro, entre estos dos va-
lores se encuentran los grises llamados colores neutrales y no tiene matriz. Los colores que
poseen matriz llevan el nombre de cromáticos.
La escala es aplicable a los colores cromáticos y neutros
Intensidad
La intensidad es la forma que tiene este sistema para graduar un color, los colores tiene una
partida, las cuales del valor del gris, a medida que se va agregando color, este suma su in-
tensidad hasta llegar a su máxima intensidad la cual es la pureza de color. Esta escala de
partida y llegada es gradual y totalmente uniforme.
Creando esta forma Munsell deja abierto un sin fin de colores a crear, gracias al agregado de
pigmentos, se dice un sistema abierto, ya que es infinita la creación de colores, el comienzo
es cero
A continuación se veremos el espacio completo, formado por los tres elementos Matriz, Valor
y Tono
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Fig. Nº 4.10 Espacio colorímetro de Munsell
El sistema sirve para identificar el color de distintos productos por medio del uso de tres o
cuatro discos de color, cada uno calibrado adecuadamente en términos de su tono (verde, ro-
jo, amarillo, azul, púrpura), su luminosidad (oscura o clara) y su intensidad.
Los discos se sobreponen en distintas proporciones y se hacen girar provocando la mezcla
de los tonos hasta que se iguala al color del producto que se está midiendo.
El resultado se expresa en porcentajes, es un método subjetivo, ya que usa la igualación de
colores que se hace visualmente.
El Atlas Colorimétrico Munsell es el más usado y consiste en una serie de colores perfec-
tamente determinados con los que se compara la muestra.
Tiene el inconveniente de es un método discreto, ya que el color problema puede no encon-
trarse estandarizado.
Los inconvenientes del Atlas colorimétrico son:
Patrones insuficientes
Comparación engorrosa
Superficie del alimento diferente al patrón.
Los requisitos de un buen Atlas o diccionario de color son:
Colocación ordenada de colores
Colores espaciados igualmente
Color referido a un sistema fundamental reproducible
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4.11 SISTEMA HUNTER
Es un sistema muy utilizado en la tecnología de alimentos, debido a su uniformidad. Este sis
tema se utiliza para identificar el color de un producto por el uso de tres foto celdas pro
vistas de filtros que miden de manera independiente la contribución de rojo o verde (valor ―
a ‖ ), amarillo o azul (valor ― b ― ) y el reflejo o luminosidad ( valor ― L ― ).
El sistema Hunter se utiliza mucho en tecnología de alimentos
Luz blanca
Medidor
Superficie a medir
Filtro
Fotocélula Triestímulo
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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C A P I T U L O V
A D S O R C I O N
La adsorción es un fenómeno fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples
en la industria química y en el laboratorio, conocido desde tiempos muy antiguos.
La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sis-
tema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede
tener lugar en la: aw de productos deshidratados, en la cromatografía, adsorción en sólido-liquido,
sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen se-
lectivamente entre ambas fases.
5.1 DEFINICIÓN DE ADSORCIÓN.- La adsorción es la transferencia de un soluto en un gas o lí-
quido (adsorbato) hacia la superficie de un sólido (adsorbente) en donde el soluto es retenido co-
mo resultado de atracciones intermoleculares con las moléculas sólidas. Este proceso es muy
seme jante al de absorción, con la diferencia de que en lugar de mezclarse completamente en la
otra fase para estar en forma homogénea en su nuevo estado, simplemente se adhiere a la super-
ficie del sólido adsorbente.
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Se llama ADSORBENTE a la sustancia sobre el cual se fija la otra, que recibe el nombre de
ADSORBATO. Luego la ADSORCION se define como una adhesión de moléculas (adsorba
to) sobre la superficie de una sustancia (adsorbente).
ADSORBATO
ADSORBENTE
5.2 MECANISMO DE ADSORCION
El mecanismo de adsorción se basa en fuerzas de atracción y según el mecanismo puede
ser:
a) Adsorción química quimisorción
b) Adsorción física fisisorción
5.2.1 Fisisorción. Es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas atrac-
tivas, generalmente fuerzas de Van der Waals. Dado que estas fuerzas son omnipresentes,
resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa
de material fisisorbido.
La adsorción fisisorción se caracteriza por:
1.- El calor de adsorción es de 5 – 10 Kcal / mol
2.- La adsorción solo es apreciable a temperaturas inferiores a la de ebullición de las sustan-
cias que se adsorbe.
3.- Los incrementos en la cantidad de sustancias adsorbidas son más amplios, a medida que
se amplían los incrementos de presión de gas que se adsorbe.
4.- La cantidad de adsorción sobre una superficie depende más de la sustancia que se ad-
sorbe, que es el adsorbente
5.- Se forman capas múltiples adsorbidas.
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5.2.2 Adsorción Química (Quimisorción). Son las fuerzas de atracción son tipo covalente
o reorganización de la estructura interna del adsorbente para hacer nuevos enlaces quími-
cos.
La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más co-
mún en la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactivo
o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactivo por
la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrede-
dor de la molécula reactiva y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en
otras circunstancias.
La adsorción química – quimisorción se caracterizan:
1.- El calor latente de adsorción es mayor de 20 Kcal/ mol
2.- La adsorción se realiza a temperaturas elevadas.
2.- Los incrementos en la cantidad de sustancia adsorbida son menos amplios a medida que
se amplían los incrementos del gas que se adsorbe.
4.- La cantidad de adsorción depende a la vez de la sustancia que se adsorbe y del adsor-
bente.
5.- La adsorción da lugar a lo sumo, a una monocapa.
Los fenómenos de adsorción se han estudiado primero para gases con carbón activo, y es
función de la cantidad de de superficie que presenta el sólido.
A > superficie de solido, > adsorción de gas.
Esta superficie se suele dividir en superficie interna y externa.
La superficie externa, que no es regular, (uniforme) que está en contacto con el adsorbato.
La superficie interna se refiere al caso en que las partículas que componen el adsorbente,
presentan una gran porosidad.
Los tamaños de los poros define el fenómeno que pueda ocurrir, el tamaño varía, y conven-
cionalmente se dividen:
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Macroporoso > 200 A
Mesoporos 15 – 200 Aº
Microporos < 15 Aº
La superficie específica – es la superficie que se presenta un sólido adsorbente por gramo de
material. Esto define muy bien las características adsorbentes del material.
5.3 MAGNITUDES EXPERIMENTALES
Se necesita conocer el estado de equilibrio, con el que se podría evaluar una constante k. Que es lo
que más se utilizan en las isotermas de adsorción. La situación de equilibrio indica la cantidad de
moléculas adsorbidas por el adsorbente a una presión, temperatura y concentraciones dadas. Las
condiciones de un gas se podrían expresar como presiones parciales y la concentración para líqui-
dos.
La ecuación de equilibrio será:
X = f (P,T, superficie específica del adsorbente, naturaleza del sistema)
X = gr adsorbato/ gr adsorbente
En la adsorción de gases, la magnitud experimental de interés es la cantidad de gas adsorbido en
función a la presión y a una temperatura dada.
Si a diferentes presiones se conoce la cantidad de gas adsorbido, entonces se conoce las condicio-
nes de equilibrio.
Cuando la presión parcial del gas es igual a la presión de vapor (P = Pº) entonces se procede a la
condensación.
Es mejor representar x vs P/Pº, cuando P/Pº = 1
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Fig. Nº 5.1 representación gráfica en la isoterma de adsorción
X
0 1.0 P/Pº
De acuerdo con la clasificación de BET, se conoce 5 tipos de isotermas de adsorción.
TIPO I.- Quimisorción, tiende a ser una asíntota. Correspondiente a sólidos microporosos, si ocu
rre fisisorción, la curva sube, xm = cantidad
de adsorbato por unidad de masa de
adsorbente (gramos) que forma una mono
capa completa capacidad de xm la mono
capa.
TIPO II.- La fisisorción. Adsorción preferente en la primera capa, segunda de adsorción en
las restantes. Cuando el calor de adsorción de la
primera capa y el de las demás (calores de con
densación) difieren bastante. Aparece punto de
inflexión M, correspondiente a sólidos no porosos.
M
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TIPO III.- FISISORCION
Cuando ambos calores (de adsorción en la primera
capas y de condensación en las restantes son
igua les. corresponde a sólidos no porosos.
TIPO IV y V. Corresponde a sólidos porosos, las isotermas IV y V están relacionados con los tipos
II y III respectivamente y difieren de ellos por la presencia de una rama horizontal
Rama horizontal
Rama horizontal
TIPO IV TIPO V
IV adsorción preferentemente en la primera capa
V adsorción en la primera capa y en las restantes
La rama horizontal o meseta se debe a la saturación de los poros, siendo imposible que el sólido
tome más moléculas de adsorbato.
5.4 MAGNITUDES EXPERIMENTALES
x = Cantidad de adsorbato / unidad de masa adsorbente.
P = Presión de gas
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C = Concentración del soluto.
Q = Calor de Adsorción
Experimentalmente se mide x y P a temperatura constante, lo que permite construir la isoterma de
adsorción
x
T = Cte. T0
P0 = presión de vapor T1
Isoterma de adsorción
P/P0
5.4 CALOR DE ADSORCIÓN
La adsorción es un fenómeno isotérmico, por lo que los calores de adsorción son siempre negati-
vos. Sin embargo a veces la presencia de algún otro proceso, además de la adsorción hace que el
calor aparente sea positivo.
Por ser isotérmico, la adsorción disminuye al aumentar la temperatura.
Se conoce tres tipos de adsorción.
1.- Calor diferencial de adsorción
2.- Calor de integral de adsorción qdif
3.- Calor de adsorción
5.4.1 Calor Diferencial (qdif)
Es la cantidad de calor por unidad másica de adsorbato, que se desprende cuando se adsor
be una cantidad diferencial de adsorbato (calor desprendido). Esto no es constante a lo largo
de todo el experimento, tal como se puede observar en la siguiente figura.
x P
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Da información sobre las características de la superficie
qdif = d(∆ Ha)/dx qdif
x
5.4.2 Calor integral de adsorción (Qintegral)
Es la cantidad de calor desprendido a lo largo de todo proceso.
En fisisorción Qintegral = 5 – 10 Kcal/mol
En quimisorción Qintegral = 20 kcal/mol
Qintegral =
∫
unidades másicas
Qintegral =
∫
unidades moles
5.5 CALOR ISOSTERICO
Es el calor de adsorción determinado con ayuda de modelos matemáticos, a partir de las isotermas
de adsorción
Desde el punto de vista experimental dolo existe dos tipos: calor diferencial y calor integral de ad-
sorción
5.6 MODELOS MATEMÁTICOS
Se ha intentado en muchas ocasiones desarrollar ecuaciones o modelos matemáticos que se ajus-
ten a las distintas isotermas experimentales. Las ecuaciones que se usan más frecuentemente son
las propuestas por Langmuir, Freundlich y Brunauer-Emmet y Teller.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 63 -
Los modelos permiten correlacionar las magnitudes experimentales. Se han deducido a partir de
una serie de hipótesis sobre la estructura de la superficie del adsorbente y sobre el mecanismo de
adsorción.
5.6.1 MODELO DE BET (Brunauer-Emmet y Teller)
Su ecuación describe muy satisfactoriamente los distintos tipos de isotermas encontradas
experimentalmente. La superficie que le corresponde a un gramo de adsorbente (superficie
específi ca) puede encontrarse así:
Donde:
S = superficie específica (m2 /gr)
a m = capacidad de monocapa (mol/gr)
Wm = superficie que ocupa una molécula en la superficie (angstroms2 )
NA = número de Avogadro = 6.023·1023 mol-1
Se puede usar la isoterma de cualquier sustancia para determinar la superficie específica si
se conoce la superficie que ocupa la molécula del adsorbato en un adsorbente dado.
Suposiciones:
Superficie del adsorbente uniforme y no porosa.
Moléculas del gas quedan adsorbidas sobre ésta superficie en multicapas sucesivas, están o
no completas, en un equilibrio dinámico entre sí.
Donde:
x Cantidad de adsorbato/unidad de masa de adsorbente
P0 Presión de vapor
( )
S = am Wm NA 10-20
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P Presión de gas.
xm Capacidad monomolecular: cantidad de moléculas que hay en la primera capa
sobre la superficie del adsorbente
C Da información de la constante de equilibrio de adsorción su dependencia con la
temperatura se puede combinar mediante una ecuación, como la ley de Ar
henius.
Estos dos últimos parámetros tienen un sentido físico y son específicas para cada sistema.
EL MODELO DE BET. Supone que, el calor desprendido cuando las moléculas son adsorbidas en
la primera capa es ligeramente diferente y > que el calor de adsorción en las capas siguientes.
Dónde:
H1 Calor de la primera capa
Hi Calor en las subsiguientes
Hc Calor de condensación
Hs Calor adicional, calor isostérico
H1 > ∆Hi i > 1
∆Hi ≈ ∆Hc i > 1
∆H1 > ∆Hc + ∆Hs
∆Hs = ∆H1 - ∆Hi
Correlación de C con la temperatura.
Ecuaciones de adsorción del tipo II y III cumplen con la ley de BET
C = A .e( H1 – H
i )/ RT
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 65 -
x III x II
P/P0 P/P0
En el caso de una isoterma tipo II se puede calcular las coordenadas del punto de inflexión, deri-
vando la ecuación de BET e igualando a cero, de modo que:
(P/P0 )inflexión = (c – 1 )2/3 - 1 ( c – 1 ) + ( c – 1 )2/3
(x/xm )inflexión = 1/c ( c – 2) + ( c – 1 )2/3 - ( c – 1 )1/3
P/P0 > 0 inflexión C > 2 solo aparece el punto de inflexión para C > 2
cuanto > es el valor de C, el punto de inflexión será más acentuado.
Calculo de c y xm
De las pruebas experimentales se conoce: x, P, P/x (P0-P) , P/P0
Ecuación de BET
x/xm = 1/ (1 – P/P0) - 1 / 1 + (c -1 ) P/P0
Reordenando la educación de BET. Se tiene:
P / x (P0 – P) = 1 / (xm – c ) + ( c – 1 )/ xm C P/P0
Representando en un diagrama:
P / x (P0 – P )
Pendiente = ( c – 1 )/ xm C
1 / (xm – c )
P/P0
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 66 -
Calculo del calor integral de adsorción
Conociendo C y x se puede calcular el calor integral de adsorción y está dado por la relación:
ln C Hs /RT
1/T
Como R es una constante, al conocer la pendiente se calcula Hs (calor isostérico)
La ecuación de BET no contempla la presencia de poros ni la situación de superficies heterogenias.
En los adsorbentes porosos ocurre la condensación capilar, presión de vapor que varía según la
superficie, La presión de vapor en una superficie plana siempre es > que una superficie curva (cón-
cava o convexa).
Para calcular la presión de vapor se tiene la siguiente ecuación:
Relación de Kelvin.
Dónde:
r Radio del poro o del capilar
P0⍺ Presión de vapor en la superficie curva
P0 Presión de vapor en la superficie plana
σ Tención superficial
ve Volumen molar del líquido
Para una superficie cóncava (líquidos que moja)
r es con signo positivo (+)
Para una superficie convexa (líquido que no moja)
r es con signo negativo (- )
Condensación del líquido en el capilar
C = A . e(- Hs
)/ RT
ln C = ln A - Hs /RT
RT. ln P0⍺ = - 2 σ ve
P0 r
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 67 -
r2 > r1 P0⍺2 > P0⍺1
P0 > P0⍺2 > P0⍺1
r1
r2
-También ocurre la saturación del poro y a eso se debe la formación de la meseta.
x
P2 p1 P02 P0
SOLIDOS CON MICROPOROS (TIPO I)
Se puede utilizar la ecuación de BET para una sola monocapa, es decir en caso particular, y se
conoce como la ecuación de Langmuir
QUIMISORCIÓN
Formación de enlaces químicos entre la molécula de adsorbato y la superficie.
La quimisorción solo se da en la primera capa, (monocapa), pero puede ocurrir una fisisorción enci-
ma de ésta.
Hipótesis de partida:
- Adsorción en una sola capa
- Heterogeneidad en la superficie.
5.6.2 MODELO DE LANGMUIR
Caso particular del modelo de BET.
x = K P ; K = C xm 1+KP P0
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 68 -
Considera que la superficie es homogénea.
La isoterma tiende a un valor asintótico, a presiones muy grandes x = 1 x = xm xm
La ecuación se puede reordenar de modo que:
P = 1 + 1 . P ecuación de una recta x K xm xm
Esta ecuación no se cumple para valores bajos de la presión del gas.
5.6.3 ISOTERMA DE FREUNDLICH
La isoterma de adsorción de Freundlich o modelo de Freundlich es una isoterma de adsor
ción, que es una curva que relaciona la concentración de un soluto en la superficie de un ad
sorbente, con la concentración del soluto en el líquido con el que está en contacto.
Fue desarrollada por el matemático, físico y astrónomo alemán Erwin Finlay Freundlich.
Freundlich hace intervenir las heterogeneidades de la superficie.
ni ∆Hi ni capa i
nj ∆Hj nj capa j
∆ Hi ≠ ∆Hj
i=N
x/xm = θ = 1/N ∑ ni (Ki P ) / (1 + Ki P) i=1
Ki = C1 exp-(∆ Hs /RT)
ni = C2 exp-(∆ Hs /ε)
La isoterma de adsorción de Freundlich se expresa matemáticamente como:
x/m = Kp1/n o x/m = Kc1/c
Dónde: x = masa de adsorbato
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 69 -
m = masa de adsorbente
p = Presión de equilibrio del adsorbato.
c = concentración de equilibrio del adsorbato en disolución.
K y 1/n son constantes para un adsorbato y adsorbente dados, y para una temperatura parti-
cular.
También suele escribirse bajo la forma:
x = K Cn
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 70 -
CAPITULO VI
ACTIVIDAD DE AGUA
La actividad de agua Water activity (aw), en los alimentos, factor de control de calidad durante la
elaboración y transformación de productos en tecnología de alimentos.
En las últimas tres décadas, el concepto de actividad de agua se ha utilizado como indicador de
estabilidad en el control de calidad en los alimentos frente a los procesos de deterioro, entre los cua-
les la microbiológica es la más rápida y frecuente (Alcalá, 1977). Se han desarrollado modelos teóri-
cos aproximados que permiten estimar con algún grado de exactitud los niveles del parámetro, en
casos de elaboración de preparados con electrolitos y no electrolitos (Barbosa-Cánovas, Vega-
Mercado, 2000). Los sólidos solubles que no se disocian se conocen como electrolitos y se adicio-
nan a los alimentos para ligar humedad y mantener la textura blanda. Las ecuaciones empíricas que
suelen ser utilizadas en la estimación de la actividad de agua (aw), de los solutos que no electrolitos
corresponden a las relaciones de Money-Born, (1951) y Norrish (1966) principalmente.
Los microorganismos necesitan la presencia de agua, en una forma disponible, para crecer y llevar
a cabo sus funciones metabólicas. La mejor forma de medir la disponibilidad de agua es mediante la
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 71 -
actividad de agua (aw). La aw de un alimento se puede reducir aumentando la concentración de solu-
tos en la fase acuosa de los alimentos mediante la extracción del agua o mediante la adición de so-
lutos. Algunas moléculas del agua se orientan en torno a las moléculas del soluto y otras quedan
absorbidas por los componentes insolubles de los alimentos. En ambos casos, el agua queda en
una forma menos reactiva.
Es importante diferenciar los términos actividad del agua y cantidad de agua en los alimentos, ya
que el primer término hace referencia a la cantidad total de líquido que tiene el alimento, en cambio,
actividad del agua se refiere a la cantidad de agua libre en el alimento, es decir el agua disponible
para el crecimiento de microorganismos y para que se puedan llevar a cabo diferentes reacciones
químicas. La actividad del agua tiene un valor máximo de 1 y un mínimo de 0. Mientras menor sea
este valor, mejor se conservará el producto. La actividad del agua está directamente relacionada
con la textura de los alimentos: a una mayor actividad de agua, la textura es mucho más jugosa y
tierna; sin embargo, el producto es más fácilmente alterable y se debe tener más cuidado. Cuanto
menor es la actividad de agua de un alimento mayor es su vida útil. Desde hace muchos años se
conocen varios métodos de conservación de alimentos, como por ejemplo el secado de alimentos,
carnes, vegetales, frutas, o también mediante la adición de azúcar como en las mermeladas y tam-
bién salando las carnes. En los dos últimos métodos lo que ocurre es que el azúcar y la sal atrapan
moléculas de agua, disminuyendo así la cantidad de agua libre en el alimento, por lo cual, este se
conservará por más tiempo.
Para muchos productos alimenticios la actividad del agua es una propiedad muy importante. Predice
la estabilidad de los alimentos con respecto a sus propiedades físicas, la velocidad de las reaccio-
nes de deterioro y el crecimiento microbiano, influenciando la vida de anaquel, el color, olor, sabor y
consistencia de los mismos. Con la determinación de la actividad del agua de los alimentos es posi-
ble predecir qué microorganismos pueden causar deterioro y enfermedades, por lo que se considera
una importante propiedad desde el punto de vista de inocuidad alimentaria. El control de la aw es
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 72 -
también una forma importante de mantener la estabilidad química de los alimentos; ejerce un fuerte
efecto sobre las reacciones no enzimático y las de oxidación lípida autocatalítica. La actividad del
agua puede además jugar un papel clave en la actividad enzimática y vitamínica en los alimentos,
así como en propiedades físicas como textura y vida en estante de los mismos. Su utilidad e impor-
tancia como medida de la calidad y la inocuidad de los alimentos fue reconocida cuando resultó ob-
vio que el contenido de humedad no reflejaba exactamente las fluctuaciones en el crecimiento mi-
crobiano. El concepto de aw ha servido al microbiólogo y al tecnólogo en alimentos durante dos dé-
cadas como el criterio de calidad e inocuidad más exacto y utilizado. Hasta hace recientemente, la
aw como parámetro fisicoquímico ha sido discutido principalmente sólo en dos disciplinas: la fisico-
química y la microbiología de alimentos. En la primera, mide la energía libre termodinámica del
agua, mientras que en la segunda, la actividad del agua es utilizada para definir los límites inferiores
para el crecimiento de microorganismos en alimentos. Los microbiólogos se desviaron hacia la me-
dición de actividad del agua al descubrir que la descomposición microbiana de alimentos ocurre en
rangos amplios y variables de contenido de agua
6.1 DEFINICION DE ACTIVIDAD DE AGUA.
La actividad acuosa es considerada como parámetro en el estudio de la química de los ali-
mentos. La actividad agua se define como la relación que existe entre la presión parcial de vapor de
agua de una sustancia y la presión de vapor de agua del agua pura a la misma temperatura; siendo
por esta razón un número sin unidades y con un valor que varía entre 0 y 1. En el equilibrio, la acti-
vidad de agua es igual a la presión de vapor ejercida por la sustancia en el ambiente cerrado que la
rodea, donde se da una equivalencia entre la humedad relativa del aire en ese ambiente cerrado y
la actividad del agua en la sustancia ensayada.
aw = humedad relativa % / 100
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 73 -
La actividad de agua (aw), una herramienta para comprobar la calidad, seguridad y vida útil de sus
productos4. La aw es un parámetro estrechamente ligado a la humedad del alimento lo que permite
determinar su capacidad de conservación, de propagación microbiana, etc.
La actividad agua de un alimento se puede reducir aumentando la concentración de solutos en la
fase acuosa de los alimentos mediante la extracción del agua (liofilización) o mediante la adición de
nuevos solutos. La actividad acuosa junto con la temperatura, el pH y el oxígeno son los factores
que más influyen en la estabilidad de los productos alimenticios
Existen diversos factores que controlan la actividad de agua de un sistema. Los efectos coligativos
de las especies disueltas (como puede ser por ejemplo la sal o el azúcar) la interacción dipolar, ióni-
ca, o de enlace de hidrógeno con las moléculas de agua. Los efectos de capilaridad cuando el vapor
de agua sobre el menisco es menor que en el agua pura debido a las interacciones de puente de
hidrógeno entre las moléculas de agua. La interacciones de superficie interaccionan directamente
con los enlaces de las substancias disueltas o en suspensión (como puede ser el almidón o las pro-
teínas) mediante fuerzas dipolares de los enlaces iónicos (H3O++ o OH-), fuerzas de Van der Waals
(enlaces hidrofóbicos) y enlaces de hidrógeno. La combinación de estos tres factores en los produc-
tos alimenticios hace que se reduzca la energía del agua y se reduzca igualmente la humedad rela-
tiva comparada con el agua pura. Estos factores pueden ser agrupados en dos amplias categorías:
efectos de ósmosis y de matriz.
Se ha demostrado que alimentos con el mismo contenido de agua se alteran de forma distinta, por
lo que se deduce que la cantidad de agua no es por sí sola una herramienta indicativa del deterioro
de los alimentos.
4 Dr Ferrer SL, www.lab-ferrer.com
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 74 -
De este hecho surge el concepto de aw, que indica la fracción del contenido de humedad total de un
producto que está libre, y en consecuencia, disponible para el crecimiento de microorganismos y
para que se puedan llevar a cabo diversas reacciones químicas que afectan a su estabilidad.
6.2 Contenido de agua y actividad de agua
Conviene aquí establecer diferencias entre estos dos conceptos. El contenido de agua de un
alimento, comúnmente conocido como humedad, es la medición cuantitativa del agua en una mues-
tra y se expresa en base seca y/o base húmeda; mientras que, la actividad de agua es un parámetro
cualitativo y su objetivo es medir el estado energético del agua en un sistema. La humedad única-
mente nos da información del contenido de agua de los alimentos, mientras que con la actividad de
agua podemos saber sobre el crecimiento microbiano, estabilidad química, propiedades físicas y
vida en anaquel. Ahora bien, estos dos parámetros no están correlacionados; en otras palabras,
mayor cantidad de agua no quiere decir necesariamente mayor actividad de agua. Tampoco hay
una relación inversa. Por eso es necesario medir la actividad de aguade cada alimento y en cada
proceso nuevo. Es decir, por ejemplo, la actividad de agua de harina de maíz obtenido por molienda
directa no es igual a la del maíz ob-tenido por extrusión y molienda; porque la temperatura y la pre-
sión de extrusión van a introducir modificaciones en los compuestos del maíz. Los datos de la Tabla
Nº 6.1 ratifican lo dicho, pues se observa una escasa correlación entre el contenido de agua y la
actividad de agua para algunos alimentos.
TABLA Nº 6.1 Contenido de agua y actividad de agua de algunos alimentos.
PRODUCTO Humedad (%) Actividad de agua
Palomitas de maíz 0,3 0,07
Cereales 1 a 4 01 a 0,3
Pasta 5 0,33
Almendras 3 0,48
Uva pasa 10 0,53
Fruta deshidratada 9 0,52 a 0,59
Malvaviscos 16 0,63
Jarabe de maíz (HFCS) 29 0,74
Mermeladas y jaleas 32 0,82 a 0,94
Panes 38 0,93 a 0,96
Frutas y vegetales 74 a 95 0,98 a 0.99 FUENTE Beuchat LR (2002) Water activity and microbial stability. Fundamentals of Water Activity (2007
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 75 -
En la Tabla Nº 6.1 se observa que los cereales y las almendras poseen casi el mismo contenido de
humedad; sin embargo, la actividad de agua de las almendras es superior a la de los cereales. Esta
diferencia está asociada a la composición química de cada uno.
6.3 Propiedades físicas
La aw afecta las propiedades texturales de los alimentos. Productos con aw altas tienen una
textura descrita como húmeda, jugosa, suave o masticable. Cuando la aw de estos productos dismi-
nuye, se mencionan atributos de textura como duro, seco o pasado. Sin embargo, productos con aw
bajas tienen características de textura descritas como crujiente o tostado, pero cuando los valores
se incrementan, los pro ductos se tornan aguados, suaves. En el caso de polvos o granulaciones, la
actividad del agua afecta sus propiedades de fluidez y apelmazamiento. La actividad del agua es un
parámetro importante controlando la migración de humedad en productos multicomponentes. Estos
productos pueden contener componentes con distintos niveles de aw, como un pastelito relleno de
crema o cereales con frutas secas. Aunque las velocidades de migración dependen de diversos fac-
tores, la humedad migrará de las regiones de alta componentes. Por ejemplo, en el caso del cereal,
la migración de humedad de la fruta seca hacia el cereal, causará que la fruta se endurezca y el ce-
real se suavice y pierda su crujir.
6.4 Actividad del Agua y Crecimiento de Microorganismos en Alimentos
La aw es un factor crítico que determina la vida útil de los productos. Este parámetro estable-
ce el límite para el desarrollo de muchos microorganismos, mientras que la temperatura, el pH
y otros factores pueden afectar el crecimiento de microorganismos en un alimento, la aw puede ser
el factor más importante controlando el deterioro. La actividad del agua, no el contenido de agua,
determina el límite inferior de agua disponible para sostener crecimiento microbiano. La mayoría de
bacterias, por ejemplo, no crecen a actividades de agua por debajo de 0.90, y la mayoría de mohos
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 76 -
y levaduras dejan de crecer en valores por debajo de 0.6. En la Tabla Nº 6.2 se presentan los valo-
res límites de actividad del agua para crecimiento de microorganismos de importancia en salud pú-
blica, así como ejemplos de distintos alimentos en dichos intervalos. Conociendo la aw de un ali-
mento, es entonces posible predecir el tipo de microorganismos con potencial de desarrollo y dete-
rioro del producto.
La actividad del agua predice de manera más real y efectiva el crecimiento microbiano porque los
microorganismos pueden usar únicamente el agua ―disponible‖, la cual difiere considerablemente
dependiendo del soluto presente. En promedio, los iones enlazan la mayor cantidad de agua, mien-
tras que los polímeros sólo atan cantidades menores; los azúcares y los péptidos caen en una posi-
ción intermedia. A una misma concentración molecular, la sal reduce la actividad del agua más que
el azúcar.
Además de la relación existente entre crecimiento microbiano y actividad del agua, una serie de as-
pectos adicionales relativos a la microbiología de alimentos son influenciados por este parámetro.
El efecto de la aw sobre la esporulación, germinación y producción de micotoxinas es complejo. En
el caso de levaduras, por ejemplo, mayores valores se necesitan para esporulación que para germi-
nación de las esporas. La aw mínima para producción de toxinas es generalmente mayor que la mí-
nima para crecimiento microbiano.
La aw más baja para el crecimiento de la mayoría de las bacterias que produce deterioro en alimen-
tos está alrededor de 0,90. La aw para el crecimiento de hongos y levaduras está próxima a 0,61. El
crecimiento de hongos micotoxigénicos se produce con valores de aw cercanos a 0,78.
La aw tiene un valor de 0 a 1 y está dada por la relación que existe entre la presión de vapor de un
alimento dado en relación con la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura.
Algunos ejemplos de alimentos según su aw:
1. Tienen aw de 0,98 o superior las carnes y pescados frescos, las frutas, hortalizas y verdu-
ras frescas, la leche, las hortalizas en salmuera enlatadas, las frutas enlatadas en jarabes diluidos.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 77 -
En este rango de aw crecen sin impedimento alguno todos los microorganismos causantes de toxiin-
fecciones alimentarias y los que habitualmente dan lugar a alteraciones, excepto los xerófilos (mi-
croorganismos adaptados a la "sequedad") y halófilos extremos (que viven en gran presencia de
sal)
2. Tienen aw entre 0,98 y 0,93 la leche concentrada por evaporación, el concentrado de to-
mate, los productos cárnicos y de pescado ligeramente salados, las carnes curadas enlatadas, los
embutidos fermentados (no secos), los embutidos cocidos, los quesos de maduración corta, queso
de pasta semidura, las frutas enlatadas en almíbar, el pan, las ciruelas con un alto contenido en
agua. Casi todos los microorganismos conocidos causantes de toxiinfecciones alimentarias pueden
multiplicarse al menos a los valores más altos de aw comprendidos en este intervalo.
3. Tienen aw entre 0,93 y 0,85 los embutidos fermentados y madurados, el queso Cheddar
salado, el jamón tipo serrano, la leche condensada azucarada. Entre las bacterias conocidas, sólo
una (Staphylococcus aureus) es capaz de producir intoxicación alimentaria a estos niveles de aw
pero pueden crecer muchos mohos productores de micotoxinas.
4. Tienen aw entre 0,85 y 0,60 los alimentos de humedad intermedia, las frutas secas, la ha-
rina, los cereales, las confituras y mermeladas, las melazas, el pescado muy salado, los extractos
de carne, algunos quesos muy madurados, las nueces. Las bacterias patógenas no crecen en este
intervalo de aw. La alteración, cuando ocurre, se debe a microorganismos xerófilos, osmófilos (cre-
cen en altas concentraciones de azúcar) o halófilos.
5. Tiene aw inferior a 0,60 los dulces, el chocolate, la miel, los fideos, las galletas, las papas
fritas, las verduras secas, huevos y leche en polvo. Los microorganismos no se multiplican por de-
bajo de una aw de 0,60 pero pueden permanecer vivos durante largos períodos de tiempo.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 78 -
Tabla Nº 6.2: Actividad del Agua y Crecimiento de Microorganismos en Alimentos
Rango de aw Microorganismos generalmente inhibidos
por el aw más bajo de este rango
Alimentos generalmente dentro de este rango
.00- 0.95 Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Shi-
gellas, Klebsiella, Bacilos, Clostridium
perfringes, algunas levaduras
Productos frescos y enlatados, vegetales, carne, pescado y le-
che, salchichas cocinadas y pan, alimentos conteniendo aproxi-
madamente hasta 40% (p/p) de sucrosa o 7% de cloruro de
sodio
0.95 – 0.91 Salmonella, Vibrio parahaemoliticus, C.
botulinum, Lactobacillus, algunos mohos,
levaduras (Rhodotorula, Pichia)
lgunos quesos (Cheddar, Suizo, Muenster, Provolone), carnes
curadas (jamones), algunos concentrados de fruta, alimentos
conteniendo 55% (p/p) de sucrosa o 12% de cloruro de sodio
0.91 – 0.87 Muchas de las levaduras (Candida, Toru-
lopsis, Hansenula), Micrococcus
Embutidos fermentados (salami), pasteles esponjosos, quesos
secos, margarinas, alimentos conteniendo 65% (p/p) de sucrosa
saturada o 15% de cloruro de sodio
0.87 – 0.80 La mayoría de los mohos (micotoxigenic
penicillia), Staphylococus aureus, la mayo-
ría de los sacaromicetes (bailii) spp., Deba-
riomicetes
La mayoría de los jugos concentrados, leche condensada azuca-
rada, siropes de chocolate, maple y frutas; harina, arroz conte-
niendo 15-17% de humedad, pasteles de frutas, jamones estilo
country, fondants
0.80 – 0.75 Muchas de las bacterias halófilas, aspergilli
micotoxigénico.
Jaleas, Mermeladas, masapán, frutas glaceadas, algunos
marshmallows
0.75 – 0.65 Mohos Xerófilos (Aspergillus chevalieri, A.
candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces
bisporus
Hojuelas de avena conteniendo aproximadamente 10% de hu-
medad, marshmallows, jaleas, malazas, azúcar morena, algunas
frutas secas, nueces
0.65 – 0.60 Levaduras Osmófilas (Sacaromyces rouxii),
algunos mohos (Aspergillus echinulatus,
Monascus bisporus)
Frutas secas conteniendo del 15 al 20% de humedad, algunos
toffes y caramelos, miel
0.50 No existe proliferación microbiana Pastas conteniendo 12% de humedad aproximadamente, espe-
cies conteniendo 10% de humedad aproximadamente
0.40 No existe proliferación microbiana Huevos deshidratados conteniendo aproximadamente 5% de
humedad.
0.30 No existe proliferación microbiana Galletas, miga de pan, etc, conteniendo del 3 al 5% de humedad
0.20 No existe proliferación microbiana Leche entera en polvo conteniendo del 2 al 3% de humedad,
vegetales deshidratados conteniendo 5% de humedad, hojuelas
de maíz (corn flakes), pastel de frutas, galletas.
FUENTE Beuchat LR (2002) Water activity and microbial stability. Fundamentals of Water Activity Barbosa—Cánovas et al (2007
Fig. N° 6.1 Gráfica de estabilidad de los alimentos. Velocidad relativa de las reacciones degra
dativas en función de la actividad del agua. (Labusa, 1970).
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 79 -
6.5 ISOTERMAS DE SORCIÓN
6.5.1 Definición. Las isotermas de sorción son representaciones gráficas de la relación en-
tre el con-tenido de agua y la actividad de agua para cualquier material a una temperatura
constante. Es una curva sigmoidea que generalmente está dividida en tres partes ozonas,
cada una de las cuales ya hemos descrito en las secciones anteriores. Dependiendo de la
humedad del alimento y de la presión de vapor relativa del medio en el que se encuentra di-
cho alimento, se puede denominar a las isotermas como:
• Isotermas de adsorción. Si es determinada experimentalmente a partir de un producto se-
co, pues lo que se espera es que éste adsorba agua del medio.
• Isotermas de desorción. Si es determinada experimentalmente a partir de un producto sa-
turado en agua o fresco; ya que se espera que pierda agua en humedades relativas bajas.
Las curvas de adsorción y desorción son generalmente diferentes, puesto que el secado de
un producto (el paso de una aw = 1 a otra < 0,6) entraña modificaciones de estructura y poro-
sidad irreversibles. A partir de esta aseveración se puede deducir que las isotermas sirven
para observar el efecto de diferentes técnicas de secado sobre la estructura del tejido alimen-
tario.
Fig. Nº 6.2 Isotermas de adsorción y desorción
El conocimiento de las isotermas de desorción es particularmente importante en el secado de un
producto sometido a una corriente de aire caliente y seco, a una de-terminada temperatura, T, y
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 80 -
humedad relativa. La isoterma de desorción permite calcular el contenido de agua en el equilibrio
del producto al final del proceso desecado.
6.5.2 Tipos de isotermas.
Brunauer et al. (1940), citado por Sablani et al. (2001), clasificaron las isotermas en:
Fig. Nº 6. 3 Representación esquemática de los seis tipos de isotermas de adsorción.
La isoterma tipo I se caracteriza porque la adsorción se produce a presiones relativas baja. Caracte-
rística de los sólidos microporosos.
La isoterma tipo II es característica de sólidos macroporosos o no porosos, tales como negros de
carbón.
La isoterma tipo III ocurre cuando la interacción adsorbato-adsorbente es baja. Ejemplo: adsorción
de agua en negros de carbón grafitizados.
La isoterma tipo IV es característica de sólidos mesoporosos. Presenta un incremento de la cantidad
adsorbida importante a presiones relativas intermedias, y ocurre mediante un mecanismo de llenado
en multicapas.
La isoterma tipo V, al igual que la isoterma tipo III, es característica de interacciones adsorbato-
adsorbente débiles, pero se diferencia de la anterior en que el tramo final no es asintótico.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 81 -
La isoterma tipo VI es poco frecuente. Este tipo de adsorción en escalones ocurre sólo para sólidos
con una superficie no porosa muy uniforme. Ejemplo: adsorción de gases nobles en carbón grafiti-
zado.
6.5.3 Isoterma de Adsorción y Desorción. Una isoterma de absorción o desorción, es la curva
que indica en el equilibrio y para una temperatura determinada, la cantidad de agua retenida por el
alimento en función de la humedad relativa de la atmosférica que la rodea.
Los isotermas de equilibrio de los productos alimenticios puede presentar diferentes formas, si bien
la más frecuente es de forma sigmoidal. Fig. Nº 6.4
Fig. Nº 6.4 Isotermas de adsorción y desorción
Histéresis
En la Fig. Nº 6.2 se observa las isotermas de adsorción y desorción. En el caso representado,
se trata de dos isotermas para diferentes productos medidos partiendo de un producto seco
(adsorción) y de uno fresco (desorción). Sin embargo, si se tratara de las isotermas de adsor-
ción y desorción para un solo tipo de alimento, cabría hacerse la siguiente pregunta: ¿por qué
la isoterma de desorción se ubica más arriba que la de adsorción, si se trata del mismo pro-
ducto? La respuesta tiene que ver con el fenómeno de la histéresis. De hecho, se denomina
histéresis a ese bucle qué se forma con ambas isotermas. La histéresis se define como el fe-
nómeno por el cual a un nivel dado de Aw y temperatura, un adsorbente (alimento) mantiene
una menor cantidad de humedad durante el proceso de adsorción que durante un subsiguien-
te proceso de desorción (Caurie, 2007
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 82 -
Existen varias hipótesis para explicarla, sin embargo, una de las más usadas es considerar un poro
conectado a sus alrededores por un capilar muy pequeño (ver figura del lado. Durante la adsorción,
a medida que se incrementa la humedad relativa, el capilar comienza a llenarse mientras que el po-
ro está vacío. Solo cuando la presión parcial del vapor en el aire es mayor que la presión de vapor
del líquido en el capilar, entonces la humedad ingresará al poro. Comenzando de la saturación, el
poro está lleno de líquido. Este fluido puede escapar solamente cuando la presión parcial del am-
biente cae por debajo de la presión parcial del líquido en el capilar. Ya que los sistemas de poros
tienen generalmente un amplio rango de diámetros capilares, se sigue que las diferencias entre ad-
sorción y desorción serán conservadas. Una de las razones para las diferencias en el contenido de
humedad entre la isoterma de desorción y la de adsorción es que, durante el secado (desorción)
algunos solutos pueden sobresaturarse por debajo de su aw de cristalización y por tanto re-tener
más agua mientras se reduce la actividad de agua.
Los alimentos con alto contenido de azúcares exhiben generalmente este fenómeno.
6.5.4 ISOTERMA DE EQUILIBRIO DE UN ALIMENTO
La aw es una propiedad que se puede medir, pero los equipos que permiten su medición son caros.
Si no se puede hacer la medición directa, a nivel de laboratorios se suele determinar lo que se
denomina Isoterma de Equilibrio, para determinar la actividad del agua.
Esta es una representación gráfica de la aw, para cada contenido de humedad de un alimento, ex-
presada la humedad en base seca (Kg. de agua / Kg. Materia seca)
La forma que se presenta esta curva no es única, pueden ser de otras formas.
P Estado en el cual se encuentra el alimento, a una humedad determinada.
Disminuirá el contenido de agua hasta alcanzar el punto de la curva que representa la humedad de
equilibrio, flujo del agua desde el sólido al aire que rodea el alimento.
Estas isotermas se determinan generalmente a 25ºC.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 83 -
Humedad Desligada
Humedad Ligada
Humedad Libre
H de Equilibrio
Fig. Nº 6.4 Isoterma de Equilibrio de un Alimento
.
smKg
KgHX
..
02
Humedad libre
ºP
Paw
El concepto de humedad ligada en la curva es diferente al concepto de agua ligada. Al llegar
a aw=1, se satura de agua y ya no puede retener más. El agua que se adicione después,
quedará como agua libre.
El agua ligada (no congelada) será un valor pequeño y se asocia al concepto de capa mono-
molecular, y a veces ese punto se representa en la curva.
La capa monomolecular se emplea porque da un índice de estabilidad, a mayor estabilidad
menor contenido de agua, excepto en el caso de oxidación de lípidos. Los lípidos se oxidan
más rápido, cuanto más rápido pueda llegar el oxígeno a los lípidos. Al eliminar el agua y la
capa monomolecular, los lípidos estarán más accesibles al oxígeno. El agua actúa como ba-
rrera de protección.
Las isotermas de equilibrio presentan diferentes formas. La mostrada en la figura anterior es
una isoterma típica.
La signoide es aquella que presenta un punto de inflexión, algunas se acercan asintóticamen-
te al eje X y en otros al eje Y.
Humedad de Xe Equilibrio
Humedad de equilibrio
Humedad ligada
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 84 -
Fig. Nº 6.5 Isoterma de Equilibrio de Alimentos
wa
Comportamiento parecido a las patatas judías, arroz, maíz, pastas, para un alto contenido
en agua presentan una aw baja.
Comportamiento parecido a terneras quesos son intermedios.
Melocotón para una baja aw, hay que eliminar gran cantidad de agua.
Comportamiento parecido a los pimientos zanahoria, cebolla, gisantes.
6.5.5 Factores que afectan la actividad de agua
Temperatura
Las características desorción de los alimentos pueden variar a causa de la temperatura del si
tema (Figura Nº 6.6). El efecto de la temperatura en las isotermas desorción ha sido amplia
mente estudiada y generalmente el incremento de ésta disminuye el contenido de humedad.
El efecto de la temperatura sobre las isotermas sigue la ecuación de Clausius—Clapeyron:
Donde; Qs es el calor desorción del agua en J/mol y R es la constante de los gases
(8,314 J/mol K). La energía de unión o calor de sorción se define como la diferencia entre
el calor de adsorción del agua y su calor latente de condensación. El calor desorción Qs es
mayor a bajos contenidos de humedad así como a bajas temperaturas. También, la energ
ía de enlace tiende a cero a altos contenidos de humedad ya que el agua eventualmente
se comporta como agua li bre.
Humeme-dad del pro-
ducto
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 85 -
FIGURA Nº 6.6 Efecto de la temperatura sobre isotermas de almidón de maíz.
Fuente: Barbosa-Cánovas et al . (Ed.) (2007)
En la Figura Nº 6.6 se muestran tres isotermas a 5, 15 y35ºC. Nos situamos en el punto for-
mado por la isoterma a 5ºC y 0,6 de actividad de agua. Si trazamos una línea punteada para-
lela al eje x hasta que intercepte ala isoterma a 35ºC y, luego, a partir de este punto, traza-
mos una vertical hasta intersectarlos con el eje x, entonces vemos que cuando se incrementa
la temperatura y a un contenido de agua constante, la actividad de agua se incrementa. Este
hecho es importante porque nos permitirá predecir la actividad de agua que alcanzará un
producto envasado cuando se someta a una determinada tempera-tura de conservación, y
cuando éste sufra fluctuaciones de temperatura
La composición de los alimentos también afecta a las propiedades desorción. Como sabe-
mos, los componentes básicos de los alimentos incluyen generalmente proteínas, carbohidra-
tos, lípidos y agua. La interacción agua proteína está influenciada por la composición o se-
cuencia de aminoácidos de las proteínas y su fuerza iónica; aunque esto puede considerarse
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 86 -
de rangos bajos a intermedios de actividad de agua, puesto que a altas actividades de agua,
existe influencia de la estructura molecular y del perfil conformacional de la proteína. Los mo-
nos y disacáridos, por ser carbohidratos de bajo peso molecular y altamente higroscópicos,
influyen significativamente en la actividad de agua de los alimentos que los contienen.
La glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa y maltosa, que son algunos de los carbohidratos más
representativos de este grupo, poseen un grupo carbonilo y varios hidroxilos, lo que los hace
altamente hidratables o solubles. Por tanto, los alimentos que poseen una buena proporción
de estas sustancias habrán modificado considerablemente su actividad de agua. El efecto del
contenido de grasa sobre la actividad de agua en los alimentos no está muy claro, ya que las
grasas son moléculas alifáticas, que le otorgan su nota-do carácter insoluble. Esto se ha
comprobado, por ejemplo, en un estudio sobre salami, que concluye que las isotermas no se
vieron afectadas por el contenido de grasa. Sin embargo, se encontró que la humedad de
equilibrio en una determinada actividad de agua disminuyó al incrementarse el tenor graso en
jamones curados.
Se puede decir en general, que las isotermas desorción de alimentos con altos tenores gra-
sos muestran una baja capacidad desorción. Igualmente, el contenido de humedad de equili-
brio disminuye en alimentos con altos tenores grasos a distintos valores de actividad de agua.
Por otro lado, las sales que se agregan a ciertos alimentos para prolongar su vida útil, y que
forman parte de su composición, son excelentes modificadores de la actividad de agua. Sales
de nitrito y cloruro de sodio son claros agentes depresores de la actividad de agua, justamen-
te por el carácter iónico de estos compuestos.
En resumen, cualquier diferencia en la composición de dos alimentos aparente-mente simila-
res, introduce igualmente diferencias en sus actividades de agua, debido a la interacción de
sus compuestos con el agua. Reiteramos por ello la necesidad de estudiar por separado sus
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 87 -
isotermas y correlacionarlas con su composición, a fin de entender los factores que introdu-
cen las mencionadas diferencias.
Composición
La composición de los alimentos también afecta a las propiedades desorción. Como sabe-
mos, los componentes básicos de los alimentos incluyen generalmente proteínas, carbohidra-
tos, lípidos y agua. La interacción agua-proteína está influenciada por la composición o se-
cuencia de aminoácidos de las proteínas y su fuerza iónica; aunque esto puede considerarse
de rangos bajos a intermedios de actividad de agua, puesto que a altas actividades de agua,
existe influencia de la estructura molecular y del perfil con formación al de la proteína.
El mono y disacáridos, por ser carbohidratos de bajo peso molecular y altamente higroscópi-
cos, influyen significativamente en la actividad de agua de los alimentos que los contienen. La
glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa y maltosa, que son algunos de los carbohidratos más re-
presentativos de este grupo, poseen un grupo carbonilo y varios hidroxilos, lo que los hace al-
tamente hidratables o solubles. Por tanto, los alimentos que poseen una buena proporción de
estas sustancias habrán modificado considerablemente su actividad de agua. El efecto del
contenido de grasa sobre la actividad de agua en los alimentos no está muy claro, ya que las
grasas son moléculas alifáticas, que le otorgan su nota-do carácter insoluble. Esto se ha
comprobado, por ejemplo, en un estudio sobre salami, que concluye que las isotermas no se
vieron afectadas por el contenido de grasa. Sin embargo, se encontró que la humedad de
equilibrio en una determinada actividad de agua disminuyó al incrementarse el tenor graso en
jamones curados. Se puede decir en general, que las isotermas desorción de alimentos con
altos tenores grasos muestran una baja capacidad desorción. Igualmente, el contenido de
humedad de equilibrio disminuye en alimentos con altos tenores grasos a distintos valores de
actividad de agua. Por otro lado, las sales que se agregan a ciertos alimentos para prolongar
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 88 -
su vida útil, y que forman parte de su composición, son excelentes modificadores de la activi-
dad de agua. Sales de nitrito y cloruro de sodio son claros agentes depresores de la actividad
de agua, justamente por el carácter iónico de estos compuestos. En resumen, cualquier dife-
rencia en la composición de dos alimentos aparente-mente similares, introduce igualmente di-
ferencias en sus actividades de agua, debido a la interacción de sus compuestos con el agua.
Reiteramos por ello la necesidad de estudiar por separado sus isotermas y correlacionarlas
con su composición, a fin de entender los factores que introducen las mencionadas diferen-
cias.
Estado Físico
El Estado físico depende como se encuentran las redes de moléculas que influyen sobre la
retención de agua.
Según el estado físico se dará los tratamientos tecnológicos más adecuados: operaciones de
deshidratación, congelación, motiva variaciones de las isotermas de los productos deshidra-
tados liofilizados como en almidones, un calentamiento previo modifica mucho la absorción
de agua debido a que la gelatinización transforma una red cristalina impermeable al agua, en
un estado amorfo.
6.6 APLICACIONES DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA
Hay cuatro aplicaciones prácticas de la isoterma de equilibrio:
- Secado por deshidratación
- Envasado
- Almacenamiento
- Preparación de mezclas de varios componentes.
6.6.3 Deshidratación. Las isotermas nos permiten calcular las entalpías de adsor-
ción/desorción, con las cuales se puede calcular la energía que debe entregar un equipo de
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 89 -
secado al alimento a fin de extraer el agua del mismo. Con ello, no solo se logra optimizar el
proceso, sino también permite conocer la actividad de agua que alcanzará el producto al final
del proceso. Otra aplicación práctica se da en los procesos de molienda. Las isotermas per-
miten calcular el área específica de superficie de alimentos en polvo. A mayor área expuesta
(que es lo mismo que a mayor reducción de tamaño), mayor es la adsorción de agua, puesto
que los sitios de adsorción (proteínas y carbohidratos, funda-mentalmente) se encuentran
más expuestas. Esto puede permitirnos conocer el nivel de reducción de tamaño en un pro-
ceso de molienda, comparar muestras en polvo con diferentes dimensiones, sin necesidad de
usar algún procedimiento de medición de partículas. Por otro lado, en el procesamiento de
alimentos es importante definir algunos puntos principales ubicados sobre la isoterma desor-
ción para que sea aplicada correctamente. En la Fig. Nº 6. 7 se presenta una isoterma con di-
chos puntos, que a continuación vamos a describir.
Fig. Nº 6. 7 Representación de la isoterma con puntos característicos
ζ,x,w
Pe
Pcr
Pb
Pi
ERH,φ,aw,P/Pº
Pi Condición inicial del producto.
Pe Momento en que el producto está en equilibrio con un ambiente a una humedad
relativa determinada.
Pb Momento en que el alimento tiene una humedad que corresponde a la
característica para cada alimento.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 90 -
Pcr Punto crítico el más importante y más difícil de determinar. Por definición sería aquel
que no debería
El punto inicial Pi puede estar en cualquier lugar de la isoterma, y representa el punto en el
que el alimento se encuentra al final de su procesamiento. Es normalmente el punto final de
secado o de algún procedimiento de mezclado.
El punto Pb o punto de Brunauer es aquél en el que el alimento presenta mayor estabilidad
con relación a la oxidación de lípidos, reacción de Maillard (oscurecimiento no enzimático) y
actividad enzimática. Para la mayor parte de los alimentos, Pb está entre aw de 0,15 a 0,25
El punto Pe es el punto de equilibrio con el ambiente que rodea al alimento. Su uso principal
se da en cálculos de envasado y embalaje. Finalmente,
El punto Pcr es el punto crítico a partir del cual, los cambios químicos, físicos y biológicos
son tan rápidos, que el alimento se deteriora antes de alcanzar el período deseado de alma-
cenamiento. El punto crítico se determina para cada producto separadamente pues depende
de las reacciones que van a ocurrir primero en el alimento. Cuando ocurre mezcla de varios
componentes, la mezcla tiende al equilibrio. De esa forma los componentes de aw más alta
pierden humedad, de acuerdo a su isoterma de desorción, mientras que los componentes de
aw más baja ganan humedad, según su isoterma de adsorción. Es importante saber el punto
de equilibrio final de la mezcla para poder prever su estabilidad. El envasado de un alimento
debe protegerlo de una pérdida o ganancia de humedad que puede influir en su durabilidad.
El tiempo máximo de almacenamiento que puede permitir un envase a un alimento puede ser
calculado o, dado el tiempo de almacenamiento deseado, se puede calcular la permeabilidad
del envase. La hu-medad del aire que circula en la planta de procesamiento y en las áreas de
almacenamiento puede ser escogida en la isoterma desorción y predecir la durabilidad del
alimento envasado. En conclusión, las isotermas desorción son herramientas muy importan-
tes en la caracterización de los alimentos y en la previsión del comportamiento de un alimento
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 91 -
antes, durante y después de su procesamiento. El lector, por otro lado, conociendo la química
del agua, su interrelación con los sitios adsorbentes y su distribución en los alimentos, podrá
esgrimir otras aplicaciones igualmente útiles y válidas delas isotermas en el desarrollo de
nuevos alimentos.
6.6.2 Mezclas
Los alimentos que se mezclan con diferentes Aw tenderán a la situación de equilibrio. Para
predecir Aw de mezclas se tiene:
MbSbMaSa
MbbAwMaSaaAwmezclaAw
.
.)(..)(
S pendiente de la isoterma de A y B
M masa seca del componente A y B
Aw actividad de agua inicial de cada componente
Aplicable solo para productos sólidos. Alcanza el equilibrio cuando tengan actividades de
agua iguales y no cuando las humedades se igualen.
La ecuación anterior es aplicable en productos sólidos.
Para mezclas acuosas de varios productos se aplica la ecuación de ROSS
swmezcla aAw )(
swa )( = Aw del componente ―s‖ de la mezcla a la molalidad en que se halla en la mezcla.
Ecuación de Ross modificada:
mms
sm mAwAw/
)()(
ms = molalidad del componente ―s‖
m = molalidad total de la mezcla
Aws(m) = Aw del componente ―s‖ a la molalidad de la mezcla
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 92 -
6.7 APLICACIÓN
Calculo de la Actividad de Agua en Quesos
La actividad de agua de un queso se puede estimar fácilmente a partir de su composi
ción. El siguiente ejemplo ilustra la aplicación de la ecuación propuesta por Esteban y
Marcos (1990), para el cálculo del valor de aw, en un queso blanco pasteurizado con 52 %
de humedad y 2.5 % de sal.
aw= 1 - 0.00565 [(g de sal)/(100 g de agua en el queso)]
= 1 - 0.00565 [(2.5)(100)/(52)] = 1 - 0.027 = 0.973
Cabezas et al. (1988) propusieron la siguiente ecuación, que se puede usar de rutina en
una planta de quesería para estimar el valor de aw, basada en el punto de congelación de
un extracto acuoso del queso, medido por crioscopía bajo condiciones específicas:
aw = 1.0155 + 0.1068 (p.c.)
Donde p.c. es el punto de congelación del extracto acuoso, en oC. Los instrumentos necesa
rios para obtener los datos requeridos por ambas ecuaciones, crióscopo, balanza de
humedad y potenciómetro con electrodo específico para cloruros, no son costosos para
una empresa me diana y, de hecho, la mayoría de ellas ya cuentan por lo menos con un
crióscopo y una balanza de humedad.
El contenido de humedad en el queso es determinante para el valor de la actividad de agua,
por lo que es importante conocer con cierto detalle los mecanismos principales de expulsión
de agua de la cuajada. Antes del corte, la cuajada tiene la misma composición de la leche y,
a par tir del corte, comienza la expulsión de líquido. A este proceso se le llama sinéresis y
su control es, desde luego, un paso esencial en la fabricación de cualquier queso. Sin
embargo, como ha señalado Walstra (1993), es importante recordar que no se trata de
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 93 -
expulsión de agua, sino de lacto suero, que es una solución acuosa. Entonces, al estu
diar la sinéresis, no hay que perder de vista la composición del líquido que está siendo
expulsado.
La sinéresis depende de la firmeza del coágulo al momento del corte: si el corte es tardío, la
sinéresis puede ser algo menor. También se ha observado que mayor temperatura de coagu
lación causa una sinéresis ligeramente menor; esto se puede deber a que el corte comienza
a una etapa más tardía de la conformación de la cuajada.
La principal causa de la sinéresis es el rearreglo de la red protéica continua que forman las
micelas de paracaseína. El proceso se inicia cuando, después que la acción del cuajo ha
generado la firmeza adecuada en el gel, éste se corta, creando así superficie libre a través
de la cuál puede ocurrir la expulsión de líquido. Por eso, generalmente el tamaño del corte
es proporcional al contenido de humedad deseado en el queso. En la fabricación de la
mayoría de los quesos, se agita la mezcla de cuajada y lacto suero y también se au
menta la temperatura. Estas medidas tienen como propósito aumentar la velocidad de la
sinéresis. El resultado final de la sinéresis se refleja en el contenido de humedad del
queso una vez prensado.
6.8 MODELOS MATEMÁTICOS
6.8.1 MODELO DE BET - Brunauer-Emmett-Teller
= Humedad del producto, Kgr. H2O/Kgr. Sólido seco.
= Humedad correspondiente a la capa monomolecular adsorbida Kgr H20/Kgr sólido seco.
= Constante característica del material, está relacionada con el calor de adorción de las
moléculas de agua.
e
1
.1C
Www
We
aCaa
aC
.11
..'
'
1
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 94 -
= P/P0 actividad del agua en tanto por uno.
Aplicación restringida entre aw = 0.05 y 0.40,
La ecuación de BET se transforma en:
Semejante a una ecuación de una recta y = a+a1X
6.8.2 MODELO DE CAURIE
= Humedad del producto, Kgr. H2O/Kgr. Sólido seco.
= Humedad correspondiente a la capa monomolecular adsorbida Kgr H20/Kgr
sólido seco.
= Constante característica del material, está relacionada con el calor de ador
ción de las moléculas.
w
se
arnr .ln5.4
11ln
Intervalo de aplicación aw = 0 - 0.85
wa
w
ew
w aC
C
Ca
a'
1
'
'
1 .
1
.
1
1(
x
x
x
xBETY
BETX
ewwBET aaY 1/
wBET aX
1
1
1 1
C
CPendiente
1
1
1
CIntercepto
s
we ra
5.4
1ln.exp
e
rln
s
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 95 -
6.8.3 MODELO DE GAB
Dónde:
y = Tiene el mismo significado de la E. BET
K = Parámetro de corrección de las propiedades del agua.
Intervalo aw = 0-0.90
6.8.4 MODELO DE HENDERSON
Dónde:
y parámetros que no tienen ningún sentido físico.
e
1ln
wa
s
Intercepto5.4
1
)ln(rPendientes
www
wm
eaKCaKaK
aKC
...1.1
...1
1
m 1C
2
1
1
1
1
1
)1(
.
2
..
1w
m
w
mme
aC
CKa
C
C
KC
aw
m
we
a/1
10
)1log(01.0
e
w
na
.100log1
1loglog
n
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 96 -
Tabla1. Modelos de isotermas desorción para humedad de equilibrio
MODELO ECUACION
BET
[ ( )( )
( )
( ) ( ) ]
GAB =
( )( )
OSWIN (
)
SMITH Xe = Mb - Ma ln (1- Aw )
HENDERSON
Xe [– (
]
PELEG Xe = K1Aw + K2 w
wa1
1loglog
e100log
Intercepto =
Pendiente = n
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 97 -
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Rosen, M.J., Surfactants and Interfacial Phenomena, 2ª edición, NY, John Wiley & Sons,
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ROY S. BERNS, Principles of Color Technology. Ed. Wiley. Nueva York, 2000 (3ª ed).
Libro de texto universitario estadounidense que contiene mucha información con bastantes
ilustraciones en color.
SCHWARTZBERG, H. G. & HARTEL, R.W., Physical Chemistry of Foods", NY, Marcel Dek
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TADROS, TH.F. Solid-liquid dispersions, Academis press, 1987.
VALENTAS, K. J., ROTSTEIN, E. & SINGH, P.R., Handbook of Food Engineering, Boca
Ratón, CRC Press, 1997.
WALSTRA, P., Physical Chemistry of Foods, (Food Science & Technolgy Series/121), NY,
Marcel Dekker, 2002.
PAGINAS DE INTERNET
http://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/1514FisicoquimicadeAlimentos.pdf
http://www.docstoc.com/docs/26287285/PROPIEDADES-FISICAS-Y-QUIMICAS-DE-LOS-ALIMENTOS-I
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 99 -
ANEXO
MODELOS DE COLOR
La Rueda de Color de Newton (1700)
Rueda de color de Newton modificada.
Sistema Munsell (1915)
Espacio colorimétrico de Munsell
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 100 -
El Libro de Color de Munsell
Aspecto de una página “Munsell”
Matiz, valor e intensidad del color, según Albert Münsell
Modelo CIE Lab
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 101 -
APENDICE
Universidad Nacional del Callao
Facultad de Ingeniería Química Escuela Profesional de Ingeniería Química
SILABO I DATOS GENERALES
1.1 Asignaturas Físico Química de Alimentos
1.2 Código de asignatura CTA 103
1.3 Horas de teoría: 3 horas
1.4 Horas de práctica: 2 horas
1.5 Horas totales: 5 horas
1.6 Créditos: 4 créditos
1.7 Profesor: Dra. Lida Sanez Falcón
II SUMILLA:
Conceptos generales de termodinámica, Equilibrio de fases vapor- líquido, Equilibrio líquido – líqui-
do, Equilibrio solido - líquido, Propiedades coligativas, Psicometría, Difusión en sólidos, líquidos y
vapor, color en alimentos y aplicación, adsorción, actividad de agua, modelos matemáticos, sistema
coloidal, emulsiones
III OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
Brindar a los estudiantes los conocimientos referentes a las propiedades físicas química de
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 102 -
los alimentos para que al término de la asignatura, el alumno sea capaz de interpretar, eva
luar, diseñar y resolver diferentes problemas en el procesamiento de los alimentos, para un
buen aprovechamiento de los recursos naturales.
3.2 Objetivos específicos
Brindar los principios termodinámicos aplicados a los alimentos.
Estudio y aplicación de las propiedades físico química de los alimentos.
IV METODOLOGIA
El desarrollo de la asignatura se realizará mediante clases magistrales y con la participación
del estudiante, buscando su aporte analítico en la solución de problemas.
Las clases teóricas y de práctica se realizaran con la participación individual y dinámica de
grupo.
V EVALUACION
La nota final de la asignatura se obtendrá de la siguiente manera:
Evaluación parcial: 20%
Trabajos prácticos: 20%
Práctica de laboratorio: 20%
Participación en clase: 20%
Evaluación final: 20%
VI CONTENIDO DE LA ASIGNATURA
SEMANA 01: Conceptos generales de termodinámica. Propiedades y variable de un sis
tema. Leyes de la termodinámica.
SEMANA 02: Equilibrio de fases vapor- líquido
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 103 -
SEMANA 03: Equilíbrio líquido - líquido: Introducción. Características del disolvente. Equi
librios en fase líquida: a) Generalidades. b) Diagramas triangulares. Com
tactos por etapas: Métodos de la extracción líquido-líquido y modos de
solución analíticos y gráficos. Aparatos para la extracción líquido-líquido.
Aplicaciones industriales de la extracción líquido-líquido.
SEMANA 04 Equilibrio vapor - líquido Introducción. Cinética de la extracción sólido-
líquido. Diagrama triangular: representación de la línea de flujo inferior.
Equipos y modos de la extracción sólido-líquido. Diferentes tipos de contac
tos: Métodos de resolución analíticos y gráficos.
SEMANA 05: Propiedades coligativas de las soluciones
SEMANA 06: Psicometría: Propiedades del aire seco- Propiedades del vapor de agua –
Propiedades de la mezcla aire – vapor de agua.
SEMANA 07: Difusión: Ley de Fick. Difusión gaseosa. Difusión en líquidos y sólidos.
SEMANA08: Color: Fundamentos teóricos. Color psicofísico. Coordenadas triestímulo
del color, Espacio y sólido de color. Diagrama cromático CIE.
SEMANA 09: Examen parcial
SEMANA 10: Aplicaciones de color
SEMANA 11: Adsorción: Mecanismos de adsorción. Magnitudes experimentales. Modelos
matemáticos.
SEMANA12: Actividad de agua: Isoterma de equilibrio. Cambios en los alimentos en
función a la actividad del agua.
SEMANA13: Aplicación modelos matemáticos.
SEMANA14: Coloides: Conceptos generales. Clasificación de coloides. Gelificación.
SEMANA 15: Estabilidad coloidal. Teoría de la coagulación.
FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
- 104 -
SEMANA 16: Emulsiones. Introducción, identificación de tipo de emulsión, características
funcionales de las emulsiones alimenticias, propiedades físicas de las
emulsiones, formación y estabilidad de emulsiones.
SEMANA 17: Examen final
VII PRÁCTICAS
Extracciones
Propiedades coligativas
Mezcla – vapor de agua
Diagrama cromático CIE
Adsorción
Actividad de agua
VIII BIBLIOGRAFIA
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Cheftel, Jean – Claude . Introducción a la bioquímica y a la tecnología de los alimentos,
Editorial Acribia ; Zaragoza, 1992
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FISICO QUIMICA DE ALIMENTOS
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Martinez-Navarrete, N.; Andrés, A.; Chiralt, A.; Fito, P. 2007. Material Docente elaborado
bajo el entorno del PID nº 7132. Asignaturas involucradas: Laboratorio de Fisicoquímica de
alimentos, Laboratorio de Problemas Difusionales en alimentos y Propiedades Físicas de
Alimentos en relación con las Operaciones y los Procesos alimentarios Universidad Politéc-
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