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FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

TEMA: DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA SECA INTEGRANTES: CABRERA MEDRANO, NICOLE CAICEDO GUTIERREZ, JHEANPOOL VARGAS REGALADO, JUAN PROFESOR: ING. BERNARDINO RAMIREZ DURAND

BELLAVISTA, 2016

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA SECA INDICE 1

INTRODUCCIÓN............................................................................................. 4

2

OBJETIVOS.................................................................................................... 5

3

MARCO TEÓRICO........................................................................................... 6 3.1

AGUA EN LOS ALIMENTOS......................................................................6

3.2

HUMEDAD............................................................................................... 7

3.3

RELACIÓN ENTRE CONTENIDO DE HUMEDAD Y MATERIA SECA..............7

3.4

MÉTODOS DIRECTOS PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD8

3.4.1

MÉTODO DE LA ESTUFA....................................................................9

4

MATERIALES Y EQUIPOS.............................................................................. 10

5

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL................................................................12

6

5.1

Actividad Nº1:....................................................................................... 12

5.2

Actividad Nº 2:...................................................................................... 14

5.3

Actividad Nº 3:...................................................................................... 15

CONCLUSIONES........................................................................................... 16 6.1

RECOMENDACIONES............................................................................. 17

7

CUESTIONARIO........................................................................................... 18

8

ANEXOS...................................................................................................... 25

9

8.1

RESEÑA HISTÓRICA.............................................................................. 25

8.2

APLICACIONES...................................................................................... 26

BIBLIOGRAFÍA............................................................................................. 27

2

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

1 INTRODUCCIÓN El componente más abundante y el único que casi está presente en los alimentos es el agua. La determinación del contenido de humedad de los alimentos es una de las más importantes y ampliamente usadas en el proceso y control de los alimentos ya que indica la cantidad de agua involucrada en la composición

de

los

mismos.

El

contenido

de

humedad

se

expresa

generalmente como porcentaje, las cifras varían entre 60-95% en los alimentos naturales. En los tejidos vegetales y animales existe dos formas generales: agua libre y agua ligada, como soluto o como solvente; en forma libre, formando hidratos o como agua adsorbida. La determinación de humedad se realiza en la mayoría de los alimentos por la determinación de la pérdida de masa que sufre un alimento cuando se somete a una combinación tiempo – temperatura adecuada. El residuo que se obtiene se conoce como sólidos totales o materia seca.

3

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

2 OBJETIVOS

 Conocer la cantidad de agua que poseen los alimentos y la materia seca de la cual están constituidos.  Conocer la gráfica de Peso vs Tiempo de cada alimento y saber diferenciarlas.  Determinar el porcentaje de materia seca de diferentes alimentos. 

4

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

3 MARCO TEÓRICO 3.1 AGUA EN LOS ALIMENTOS El agua es el único ingrediente de los alimentos que está prácticamente presente en todos ellos su cantidad, estado físico y dispersión en los alimentos afecta su aspecto, olor, sabor y textura. Las reacciones químicas y las interacciones físicas del agua y de sus posibles impurezas con otros componentes de los alimentos determinan frecuentemente alteraciones importantes durante su elaboración. Tipos de agua presentes en alimentos 

Agua absorbida o libre: es el agua que se encuentra dentro de los poros del material, sostenida por fuerzas capilares. Este tipo de agua posee las mismas propiedades que el agua libre. Agua adsorbida: es el agua sostenida por atracción molecular. En este



caso hay interacción entre las moléculas de agua y aquellas que componen el alimento. Este tipo de agua es atraída por fuerzas intermoleculares llamadas fuerzas de van der Waals y de valencia. Agua de constitución: agua combinada químicamente con la materia



seca y sostenida por fuertes uniones químicas. Esta agua es de difícil remoción, pero ocasionalmente puede ser removida en condiciones controladas mediante algunos métodos de determinación humedad.

5

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

3.2 HUMEDAD La determinación de humedad puede ser el análisis más importante llevado a cabo en un producto alimentario y, sin embargo, puede ser el análisis del que es más difícil obtener resultados exactos y precisos. La materia seca que permanece en el alimento posterior a la remoción del agua se conoce como sólidos totales. El contenido de humedad es un factor de calidad en la conservación de algunos productos, ya que afecta la estabilidad de: frutas y vegetales deshidratados, leches deshidratadas; huevo en polvo, papas deshidratadas y especias. La determinación de humedad se utiliza como factor de calidad de: jaleas y ates, para evitar la cristalización del azúcar; jarabes azucarados, cereales preparados - convencionales (4-8%); inflados (7-8%). Se utiliza una reducción de humedad por conveniencia en el empaque y/o embarque de: leches concentradas, endulzantes; productos deshidratados (éstos son muy difíciles de empacar si poseen un alto contenido de humedad; jugos de frutas concentradas.

6

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA 3.3 RELACIÓN ENTRE CONTENIDO DE HUMEDAD Y MATERIA SECA El contenido de humedad, entendido como la relación entre el peso de la cantidad de agua y el peso total de la materia, se expresa como el contenido de humedad en base humedad, que es el término usual en todas las etapas de la comercialización. En los trabajos técnicos y científicos se utiliza el contenido de humedad en base seca, que es la relación entre el peso de la masa de agua contenida en la metería y el peso de la materia seca de la misma materia. La materia seca permanece constante en todo el proceso de secado. El contenido de húmeda en base húmeda (CH bh) se expresa como:

C H bh ( )=

(

Wa ∗100 W a +W ms

)

Donde:

C H bh : contenido de humedad en base húmeda (%) W a : Peso del agua (g) W ms : Peso de la materia seca (g) El contenido de húmeda en base seca (

C H bs ) se expresa mediante de la

siguiente ecuación:

C H bh ( )=

Wa ∗100 W ms

( )

Donde:

C H bs 7

: contenido de húmeda en base seca (%) ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA W a : Peso del agua (g) W ms : Peso de la materia seca (g) En términos absolutos, el valor del contenido de humedad en base humedad es menor al valor del contenido de húmeda en base seca. Cuando no se especifica el contenido de humedad de la materia, este se refiere a base húmeda. El contenido de húmeda en base húmeda, se puede expresar en función de la otra base, así:

C H bh ( )=

(

C H bs ∗10 100+C H bs

)

3.4 MÉTODOS DIRECTOS PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD Los métodos primarios son aquellos que miden directamente el contenido del agua del producto, por diferencia de peso, por reacción química o por absorbancia de luz, entre los que destacan: 

Estufa: con circulación forzada de aire y al vacío.



Por destilación: Brow&Duvel, utilizando aceite o tolueno.



Químicos: Karl Fischer o estequiométrico.



Absorción de rayos infrarrojos.



Absorción Nuclear.

3.4.1 MÉTODO DE LA ESTUFA Hay varios procedimientos para medir la humedad de materias mediante la utilización de un horno o estufa. Algunos han sido incorporados en normas de control de calidad que manejan entidades y asociaciones, responsables de dichas normas. Es un método empírico, cuyos resultados depende del grado de 8

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA molienda del material y las condiciones bajo las cuales se efectúa el secado (tiempo, temperatura y presión atmosférica). El método de la estufa debe seguir estrictamente los procedimientos establecidos en las normas técnicas. a) Estufa forzada con circulación de aire. En este método el aire es calentado eléctricamente a presión atmosférica y se hace circular, ya sea por convención natural o por medios mecánicos. Este método es utilizado por varios organismos internacionales de normas técnicas. En general se usan temperaturas de 130 °C para materia que contengan excesiva sustancias volátiles y de 100 a 105 °C para materia que presentan una alta descomposición de la materia seca a temperaturas elevadas. Teniendo

en

cuenta

el

nivel

de

humedad

inicial

se

aplican

dos

procedimientos para determinar el contenido de humedad. b) Estufa al vacío. Este método se recomienda para productos sensibles al calor y con un alto contenido de materias volátiles. Las muestras molidas se secan a una temperatura entre 70 y 100 °C y a una presión de vacío de 25 mm de mercurio o menos. Los tiempos de secado son dependientes de la presión usada, generalmente de 5 horas aproximadamente.

9

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

4 MATERIALES Y EQUIPOS  Zanahoria (muestra)

 Estufa

 Placa Petri

 Balanza mecánica

10

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 5.1 Actividad Nº1: Con estos datos es suficiente para calcular el porcentaje de humedad en la zanahoria:

Veamos:

% humedad = peso muestra húmeda – peso muestra seca x 100 Peso muestra húmeda

% humedad = 1.5 – 1.4 x 100 = 6.67% de humedad 1.5

Y el % de muestra seca seria 100% - 6.67% = 93.3%

11

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

HACER LA GRAFICA CON LOS DATOS 

Según las tablas de % de humedad de una zanahoria es del 90%, nuestro resultado se aproxima, y quizás tiene más porque la zanahoria absorbió humedad el ambiente.



La zanahoria dejada al interperie siguió crocante, al igual q la zanahoria guardada en una bolsa de primer uso, es decir no absorbió humedad del ambiente.

6 CONCLUSIONES  Gracias a las experiencias realizadas en laboratorio de M.A.S podemos concluir que cualquier fuerza utilizada con un resorte lo que busca es volver a su estado original que es la de equilibrio, esto fue comprobado en nuestra experiencia de laboratorio.  También concluimos que en el fenómeno de oscilación podemos observar la amplitud alcanzada por un cuerpo y en un determinado periodo.

7 ANEXO Importancia de los alimentos deshidratados

12

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA El agua es el principal componente de los alimentos, ayudándoles a mantener su frescura, sabor, textura y color. Además de conocer el contenido de agua o humedad de un alimento, es imprescindible conocer si ésta está disponible para ciertas reacciones bioquímicas, enzimáticas, microbianas, o bien interactuando con otros solutos presentes en el alimento, como son, proteínas, carbohidratos, lípidos y vitaminas. La deshidratación a través de la historia es una de las técnicas más ampliamente utilizadas para la conservación de los alimentos. Ya en la era paleolítica, hace unos 400.000 años, se secaban al sol alimentos como frutas, granos, vegetales, carnes y pescados, aprendiendo mediante ensayos y errores, para conseguir una posibilidad de subsistencia en épocas de escasez de alimentos, no solo necesarios sino que también nutritivos. Esta técnica de conservación trata de preservar la calidad de los alimentos bajando la actividad de agua mediante la disminución del contenido de humedad, evitando así el deterioro y contaminación microbiológica de los mismos durante el almacenamiento. Para ello se pueden utilizar varios métodos de deshidratación o combinación de los mismos, tales como secado solar, aire caliente, microondas, liofilización, atomización, deshidratación osmótica, entre otros. (3). No obstante, para obtener alimentos deshidratados de buena calidad es imprescindible estudiar en detalle los fenómenos de transferencia de materia y energía involucrados en el proceso, como los cambios producidos a nivel estructural (porosidad, firmeza, encogimiento, densidad) y las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo en el momento del proceso (oxidación, enzimáticas, no enzimáticas, desnaturalización). Desde el punto de vista comercial una importante ventaja de utilizar esta técnica, es que al convertir un alimento fresco en uno procesado (deshidratado) se añade valor agregado a la materia prima utilizada. Además se reducen los costos de transporte, distribución y almacenaje debido a la reducción de peso y volumen del producto en fresco. Hoy en día, muchos alimentos deshidratados sirven de base para el desarrollo y formulación de nuevos productos, ya que estos al ser fuentes de proteínas, vitaminas, minerales, fibra dietética y antioxidantes, por esta razón es que son considerados como componentes o ingredientes de alimentos funcionales, debido a su fácil incorporación en productos lácteos (leches, postres, yogurt, helados), galletas, pasteles, sopas instantáneas y en platos preparados. Factores que influyen sobre el proceso de rehidratación

13

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA Dentro de los factores que influyen en los mecanismos de transferencia de materia ocurridos durante el fenómeno de rehidratación de alimentos, están los factores propios del proceso de deshidratación (pretratamiento, método de secado, temperatura y velocidad de secado, almacenamiento) y las condiciones de rehidratación a utilizar. Factores extrínsecos del proceso de rehidratación • Pretratamiento al secado: todo pretratamiento de secado tiene cierta influencia sobre el producto deshidratado en el proceso posterior de rehidratación. Estos pretratamientos se pueden citar de acuerdo a tratamientos químicos con compuestos inorgánicos (dióxido de azufre, cloruro de calcio, metabisulfito de potasio, cloruro de sodio, bicarbonato de sodio), orgánicos (sacarosa, glicerol, dextranos, almidón) o no químicos (osmosis, escaldado, congelado, altas presiones. Por ejemplo la tecnología con altas presiones pueden ser utilizados para reducir la pérdida de solutos durante la rehidratación, una posible razón se puede atribuir a los cambios estructurales por las altas presiones: compactación de la estructura celular y la formación de una re-gel con iones ligados a pectina de-esterificada. • Método de secado: los diferentes tipos o sistemas de secado son la principal causa que pudiese afectar la rehidratación del producto deshidratado. También se pueden hacer combinaciones de los sistemas de secado, por ejemplo aire caliente con microondas, irradiación previa o al mismo tiempo; igualmente se debe considerar el tipo de secado que menor daño provoque a la estructura del producto, y sobre sus propiedades sensoriales y nutricionales. Por ejemplo, la combinación de deshidratación osmótica y aire caliente mantiene de mejor manera el color superficial del pimiento que el secado solo por aire caliente. Alimentos con alto contenido de almidón (papas) secados con microondas retienen dos veces más vitamina C que por secado convectivo. Recientemente, pretratamientos con campos de pulsos eléctricos, ultrasonidos e infrarrojo en combinación con secado convectivo permiten una mejor permeabilización de las membranas celulares, menos cambios estructurales y una mayor retención de sólidos luego de la rehidratación. • Temperatura y velocidad de secado: se ha observado que altas temperatura de secado implican un menor tiempo de rehidratación, pero los índices de calidad del producto final presentan cambios muy variables con respecto al producto fresco, como son la textura y el color, dejando ver que la temperatura de secado es uno de los principales factores que influyen sobre la calidad del producto rehidratado. El aumento de la velocidad de secado provoca un menor

14

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA tiempo de secado, pero también presenta la misma tendencia que la temperatura de secado, un mayor daño celular. • Temperatura de almacenamiento: durante el almacenamiento se va perdiendo calidad de los productos deshidratados (color, aroma, textura), además aparecen reacciones de pardeamiento no-enzimático. Estos daños se hacen más severos a medida que se aumenta la temperatura de almacenaje, ya que a mayor temperatura mayores son los cambios composicionales y estructurales de los polisacáridos de la pared celular y menor la capacidad de absorción de agua, reflejándose esto último en la rehidratación. Por todo lo anterior es que se debe optimizar las condiciones de almacenamiento (temperatura, humedad relativa, oxigeno, ventilación, condiciones higiénicas, equipos, entre otros. Factores intrínsecos del proceso de rehidratación • Liquido de rehidratación: como se comentó, los alimentos deshidratados generalmente se rehidratan con agua, pero en algunos procesos se utilizan medios de rehidratación tales como leche, yogur, disoluciones azucaradas o salinas, entre otros, siempre con el fin de mejorar las características finales del producto rehidratado, como son la textura, retención de color y aroma, aumento de la viscosidad, disminución de la actividad de agua, reducción de tiempos de proceso, entre otros(6). La velocidad de rehidratación es mayor en un medio como el agua, en cambio es menor por ejemplo en soluciones azucaradas, leche o yogurt, debido a la elevada viscosidad que presentan éstas, sin embargo, estas últimas pueden transportar sólidos de importancia nutritiva al producto como vitaminas, proteínas, minerales, entre otros. • La temperatura de la solución de rehidratación: Un alimento deshidratado a una temperatura constante, y luego rehidratado a diferentes temperaturas en un medio rehidratante, aumenta su contenido de humedad de equilibrio cuanto mayor sea la temperatura de rehidratación debido al gradiente de calor entre el interior del alimento y el líquido de inmersión, además la alta presión que se ejerce sobre los gases que pudiesen estar atrapados entre los espacios intercelulares, permite que se mueven por difusión o capilaridad, tomando ese lugar el líquido rehidratante . Como se observa en la figura 3, con el aumento de la temperatura del medio de rehidratación se incrementó la velocidad del proceso, debido principalmente al aumento de la difusividad de agua y de solutos, otorgando así una reducción sustancial del tiempo de rehidratación. Esto influye sobre ciertas características del producto, como son la estructura de la pared celular, produciendo la 15

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA pérdida de nutrientes y colorantes, no obstante con algunos pretratamientos al secado se pueden evitar en parte estos problemas. Se ha demostrado que rehidratar con temperaturas menores a 40ºC mantiene la estructura original las pectinas presentes en la pared celular mejorando la capacidad de absorción de agua por el tejido. En otras investigaciones se ha logrado acelerar el proceso de rehidratación por medio de técnicas combinadas, destacándose la rehidratación con impregnación al vacío, uso de ultrasonido, adición de aditivos en el agua de rehidratación, etc., aunque estas técnicas son de elevado costo operacional. • Agitación durante la rehidratación: la generación de turbulencia en el medio de rehidratación logra una mayor homogenización, aumentado la entropía del sistema y la facilidad del intercambio de materia (agua y solutos), siempre teniendo en cuenta la velocidad de agitación. • Características del producto: antes de aplicar rehidratación a alimentos deshidratados, se deben conocer las características del alimento en su estado fresco y deshidratado, ya que las propiedades físico-químicas, mecánicas (microestructurales), sensoriales y nutricionales, cambian considerablemente de un producto fresco a deshidratado, de tal manera que estos factores determinan el comportamiento de los alimentos en el proceso de rehidratación.

16

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

17

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

8 CUESTIONARIO 1. Realizar una revisión de tablas de composición de alimentos y haga un listado del porcentaje de humedad de los alimentos asignados. PRODUCT O LECHUGA ZANAHORI A NARANJA LECHE PAPA CARNE DE RES HUEVO CARNE DE CERDO PAN QUESO MANTEQUI LLA GALLETA S

% HUMEDA D 95 90 88 87 80 70 74 60 40 35 16 5

2. Con los datos obtenidos en el punto anterior determinar el % de materia seca de cada uno de los alimentos. Por simple diferencia de % materia húmeda - % humedad = %materia seca

18

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA PRODUCTO LECHUGA ZANAHORI A NARANJA LECHE PAPA CARNE DE RES HUEVO CARNE DE CERDO PAN QUESO MANTEQUIL LA GALLETAS

% HUMEDA D 5 10 12 13 20 30 26 40 60 65 84 95

3. ¿Cuáles son las dificultades principales en la determinación de humedad? 

El producto analizado puede absorber humedad del ambiente, alterando así nuestro resultado.



Al pesar la muestra después de secarla, si no es enfriada el calor puede alterar la lectura de la balanza.



Si el producto tiende a perder agua al aire libre también se puede alterar nuestro resultado.

4. Explique la manera que los solutos iónicos, polares y no polares interactúan con la estructura del agua. El grado de ruptura de la estructura del agua más el grado de formación del nuevo ion o de estructuras entre agua y soluto se mide por medio del calor de hidratación. Los valores de los calores de hidratación (DH) se pueden medir 19

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA directamente en un calorímetro mediante la cantidad de calor que se produce cuando una concentración conocida de iones (los cationes y aniones

se

agregan en forma de sales) se agrega a un volumen conocido de agua. El calor de hidratación se incrementa al aumentar el tamaño iónico dentro de cada grupo de iones de carga similar, por ejemplo de - 506 kJ/mol para el Li+ hasta - 255 kJ / mol para el Cs+. Esta tendencia de reducir la interacción al incrementarse el tamaño del ion aparece frecuentemente en los fenómenos químicos. El grado de hidratación se incrementa con la carga iónica. El valor del calor de hidratación para cationes monovalentes es de varios cientos de kJ/mol ; para cationes divalentes es de aproximadamente -1600 kJ/mol, y para cationes trivalentes de aproximadamente -4000 kJ/mol. Los grandes calores de hidratación (muy negativos) para los iones trivalentes indican que los cationes polivalentes existen en solución o como especies químicas altamente hidratadas, como Fe(H2O)63+ (hexaacuo Fe III ) y Al(H 2O)63+ (hexaacuo Al III ) en solución. Los iones y las moléculas de agua en tales complejos se encuentran fuertemente unidos y juntos se comportan como un solo ion de gran tamaño. Los iones divalentes de los metales de transición y tal vez el Mg2+ forman estructuras similares con el agua pero más débiles. Los otros cationes de los metales alcalinotérreos son más grandes y se asocian con menos fuerza al agua. La relación entre el tamaño de ion y la fuerza de hidratación es más compleja que como se plantea aquí, pero ésta constituye una buena aproximación. Interacciones soluto- soluto. Los iones libres no existen en las soluciones acuosas. Todos los iones que se encuentran disueltos y, probablemente, también todas las moléculas disueltas se encuentran rodeadas de moléculas de agua las cuales pueden asociarse con el soluto y ser modificadas por éste. Los iones también interactúan entre sí a distancias variables. A las interacciones cercanas ion-ion ( menos de 0.5 nm, 20

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA nanómetros ) se les denomina iones complejos o pares de iones y se encuentran regulados por las interacciones específicas entre iones . Iones complejos y pares de iones. Las fuerzas entre iones separados se han estimado mediante cálculos de la actividad (en algunos casos, puede considerarse como la concentración efectiva; a =

g M, donde a es la actividad o potencial químico, y es

adimensional; g, gamma, es el coeficiente de actividad en Litros/mol y M es la concentración molar o molaridad, moles/Litro). El coeficiente de actividad está definido matemáticamente como el lím g = 1, cuando M ==> 0, lo que significa que mientras más diluida esté la disolución menos interactúan entre sí los iones, es decir, la disolución tiene un comportamiento ideal. La interacción entre los iones se incrementa al aumentar la concentración de los iones y con el cuadrado de su carga. La actividad de una sal es igual al producto de las actividades de sus iones elevadas a una potencia de acuerdo a su estequiometría. Por ejemplo, la actividad del cloruro de calcio (CaCl2) en solución acuosa es: aCaCl 2 = (gCa2+. MCa2+)(gC l1- Mcl1-)2 . La molaridad del ion cloro es el doble de la del ion calcio. Dado que la ecuación química de la ionización es: CaCl 2 Ca2+ + 2 Cl1- . Cuando los iones y las moléculas interactúan más íntimamente, se pueden enlazar y perder sus identidades individuales para formar iones complejos o pares de iones. Un ejemplo de ellos son los iones Fe(H 2O )63+ y Al(H2O )63+ . La molécula de agua se encuentran asociadas íntimamente al ion central., cuyo grupo actúa como una sola unidad en solución. Por lo general, los iones complejos se definen como la combinación de un catión central con uno o más ligandos. Un ligando es cualquier ion o molécula presente en la esfera de coordinación del ion central como lo es el agua en el caso de Fe(H2O )63+ . De hecho, el agua siempre se considera como parte de los iones complejos por lo que algunas veces no se considera como ligando. Los otros ligandos penetran la esfera de hidratación o de solvatación interna del 21

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA ion central y reemplazan a una o más moléculas internas de agua. Por otro lado, se piensa que los pares de iones se forman por asociación de ligandos afuera de la esfera de solvatación interna, como cuando los iones hidratados y separados se unen mediante las fuerzas electrostáticas y se comportan como una sola unidad durante un intervalo apreciable. Para asociarse al ion central, los ligandos deben competir con las moléculas de agua en la esfera de solvatación primaria del ion central y deben perder algunas de sus propias moléculas de agua. además, los ligandos son con frecuencia los aniones de ácidos débiles. Como resultado, el H+ compite con el catión central por el ligando. La asociación entre iones casi siempre implica una competencia por ligandos entre el catión H+ y entre el agua, el OH - y los ligandos de iones por el catión central. Si se ignoran las moléculas de agua en los productos y reactivos se simplifica considerablemente la representación de estas interacciones. La fuerza de asociación entre las especies en solución se expresa mediante varias constantes de equilibrio. Las constantes de estabilidad (formación) se refieren a iones complejos y a pares de iones; las constantes de hidrólisis o de desprotonación se refieren a la pérdida de H+ de los ligandos de agua que se encuentran asociados con los cationes centrales; los productos de solubilidad se refieren a las actividades de los iones en equilibrio con la fase sólidas. La formación de iones complejos es el resultado de las fuerzas atractivas catión-anión que vencen en la competencia entre los cationes H + por los numerosos ligandos, incluyendo al agua. Un ejemplo sencillo es la formación del ion complejo monofluoroalumnio durante la extracción de los suelos del aluminio reactivo: Al(H2O )63+ + F- AlF(H2O )52+ + H2O La formación del ion complejo AlF2+ disminuye la actividad del Al(H2O)63+ y si se encuentra en equilibrio con el Al(OH) 3 se disuelve parte de la fase sólida para mantener el equilibrio. La energía del enlace Al-F es mayor que el de los enlaces ion-agua para formar el complejo. De acuerdo con la constante de 22

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA solubilidad, las concentraciones del ion complejo AlF 2+ se incrementan al aumentar las concentraciones de los iones Al 3+ o del F- o la concentración de HF y disminuye al aumentar la acidez. De hecho, el ion hexafluoroaluminio Al(H2O)63+ es un ion complejo que se elimina al extraer el fluoruro de aluminio de los suelos debido a las altas concentraciones de fluoruro que se emplean. Los ligandos como H2O, OH- , F- y CN- solamente pueden ocupar una posición alrededor de un catión central y se les conoce como monodentados. Los ligandos de unión como O2- , CO32- y PO43- pueden ocupar una posición en las esferas de coordinación de cada uno de los diferentes cationes y formar un complejo

polinuclear

(se

refiere

al

ion

central

o

de

coordinación).

Generalmente, la solubilidad de los complejos polinucleares es baja, ya que tienden a polimerizar y a precipitar a partir de la solución. Un ligando polidentado puede ocupar 2 o más posiciones alrededor de un solo catión y generalmente, son moléculas orgánicas grandes conocidas como quelatos (del griego,

pinza

o

tenaza).

Por

ejemplo,

algunas

enzimas

son

ligandos

polidentados que ocupan varias posiciones alrededor de un catión central y que también se enlazan temporalmente para sustraer moléculas, por lo que catalizan cambios químicos en el sustrato. La materia orgánica adsorbe con fuerza a los iones Cu 2+ , Zn2+ , Fe (II y III) y otros iones de metales de transición como quelatos. Un ligando quelante es el ácido etilendiaminotetracético (H4EDTA), las posiciones alrededor del ion Fe 2+ están ocupadas por los 2 grupos amino y los 4 acetato. Los quelatos son completamente solubles y tienden a mantener al fierro, zinc y cobre en solución como fuente de suministro de nutrientes para las plantas, a menos que un nutriente dado sea desplazado del complejo por iones que se encuentren en grandes cantidades o que formen complejos más estables. Los quelatos también se utilizan para extraer de los suelos a los micronutrientes y los iones de los metales pesados. A concentraciones de cationes iguales , los de los metales de transición compiten más efectivamente que otros por ligandos de todo tipo, incluyendo 23

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA los quelatos. Los iones de los metales de transición tienen la ventaja de poder cambiar algunos electrones para acomodar mejor las configuraciones de los ligandos. La capacidad de los ligandos monodentados de cambiar los orbitales de electrones d y, como consecuencia, formar iones complejos más fuertes de metales de transición, generalmente se incrementa en el siguiente orden: I- < Br- < Cl- < F- < C2H5 OH < H2O < NH3 < etilendiamina < CN- . De la lista anterior, cabe resaltar la gran fuerza de los ligandos que contienen nitrógeno. La capacidad relativa de los iones de metales de transición para formar iones complejos

es

completamente

uniforme

en

el

orden:

Mn2+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ < Zn2+ para los cationes divalentes y Cr3+ = Mn3+ > Fe3+ < Co3+ para los cationes trivalentes. El catión divalente más fuerte capaz de formar complejos es el Cu(II), mientras que el Fe (III) es el ion de los metales de transición de carga trivalente más débil aunque es más fuerte que otros cationes trivalentes como el Al3+ y los lantánidos. El complejo Fe-EDTA predomina en las soluciones ácidas debido a la gran estabilidad de los complejos Fe-EDTA. El ligando EDTA muestra preferencia por Fe(II y III) a pesar de las altas concentraciones de los iones Ca 2+ y Mg2+ en la solución de suelo. En los suelos alcalinos las concentraciones de los iones Ca 2+ y Mg2+ y la muy baja solubilidad del hidróxido de Fe(III) favorecen la formación de los complejos de EDTA y Mg-EDTA. Para determinar los iones Ca2+ y Mg2+ se aprovecha su fuerte asociación entre el calcio, el magnesio y el EDTA. Para asegurarse de que todos los iones Ca 2+ , Mg2+ y EDTA se encuentran presentes como iones complejo, la solución se lleva a un pH de alrededor de 10 para precipitar los iones de los metales de transición. Enseguida se agrega CN- (que tiene una fuerte tendencia a formar complejos con los metales de transición y solamente con los iones Ca 2+ y Mg2+) para formar complejos con los cationes de cualquier metal de transición que permanezca sin precipitar a este pH.

24

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

25

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS

DETERMINACIÓN DE HUMEDAD Y MATERIA

9 BIBLIOGRAFÍA  D. Pearson, Técnicas de Laboratorio para el Análisis de Alimentos, Editorial Acribia. España Pág. 41  R. Matissek, M. Schnepel, G. Steiner, Análisis de los Alimentos, Editorial Acribia, S.A. Zaragoza (España) 1992. pág. 4 – 5.  D.R. Osborne, P. Voogt, Análisis de los Nutrientes de los Alimentos, Editorial Acribia, S.A. España. 1986. Pág. 52 – 53.

26

ANEXO | QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS