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DISMINUCIÓN DE LA HUMEDAD DE LOS ALIMENTOS
La disminución del contenido de agua en los alimentos aumenta su vida útil por lo que se podrán conservar en perfectas condiciones durantes un mayor periodo de tiempo.
Para ello se emplean diversos métodos como la evaporación, secado, crioconcentración o liofilización que veremos a lo largo de este artículo.
El agua es el principal componente de la mayoría de los alimentos no procesados mientras que en los procesados se reduce para conseguir, como ya hemos dicho, aumentar la conservabilidad de los mismos.
En el medio acuoso se dan la práctica totalidad de las reacciones químicas de deterioro que tienen lugar en los alimentos. El agua, por otra parte, contribuye a la apetencia del alimento por lo que es necesaria su existencia.
ACTIVIDAD DE AGUA DE LOS ALIMENTOS
De forma general se puede afirmar que un alimento cuanto mayor porcentaje de agua tenga en su composición más susceptible es a alterarse.
Sin embargo, alimentos con la misma cantidad de agua pueden presentar diferente susceptibilidad al deterioro por lo que entra en juego otro factor que es la actividad de agua de un alimento que hace referencia a la disponibilidad de ese agua en el alimento.
Actividad de agua = Aw
Aw = Pw / Pwo
Pw = presión de vapor del agua del alimento
Pwo = presión de vapor del agua pura
Para establecer la actividad de agua de un alimento se puede encerrar dicho alimento en atmósfera cerrada y esperar a que el aire presente en dicha atmósfera se encuentre en equilibrio con el alimento y a continuación con un higrómetro electrónico se mide la humedad relativa del aire. Entonces tenemos que:
Aw = Humedad relativa (%) / 100
La actividad de agua tendrá un valor máximo de 1 y mínimo de 0. Cuanto menor es este valor, menor será la susceptibilidad del alimento a deteriorarse.
Si el agua en un alimento interacciona fuertemente con otros compuesto del propio alimento como iones (por ejemplo, la sal), moléculas polares (por ejemplo la glucosa) o apolares (por ejemplo, los ácidos grasos) menor será la actividad de agua y menor por tanto el peligro que presente de deterioro. Si el alimento que hemos citado con anterioridad tiene un agua que interacciona con otros compuestos, saldrá menos agua al aire de la atmósfera y por tanto la humedad relativa del aire sería menor con lo que la actividad de agua que obtendríamos sería menor.
La actividad de agua en un alimento que está por encima de la temperatura de congelación estará en función de:
Por el contrario, en los alimentos congelados la actividad de agua tan sólo está en función de la temperatura por lo que no será un valor importante en este caso (por ejemplo, todos los alimentos congelados a -25ºC, Aw=0,79).
Se suelen construir isotermas de sorción de alimentos para conocer la actividad de agua de cada alimento a una determinada temperatura según su contenido en humedad. En dichas isotermas se representa la actividad de agua de un alimento frente a su contenido acuoso. Para ello, o bien se va deshidratando un alimento y se va midiendo su actividad de agua (serían isoterma de desorción), o bien se deshidrata un alimento y luego se va rehidratando y se mide su actividad de agua en los diferentes contenidos de humedad (sería la isoterma de resorción o adsorción). Todo ello a temperaturas de 20ºC aproximadamente.
Al realizarse estas mediciones se debe tener en cuenta el fenómeno denominado histéresis que es la diferencia en el valor de actividad de agua que se obtiene para un mismo alimento según su contenido de humedad en función de si se está rehidratando o deshidratando un alimento. Si el alimento se rehidrata tendrá un valor de actividad de agua mayor para un mismo contenido de humedad que si se está deshidratando. Ello es debido a que los alimentos tienen capilares en su estructura y al extraerse el agua, estos capilares se obturan, se cierran. Al rehidratar el alimento cuesta más que el agua vuelva a entrar en dichos capilares e incluso en muchas ocasiones no podrá entrar por lo que quedará mayor cantidad de agua disponible y será mayor la actividad de agua.
En las isotermas de sorción se pueden observar tres fases:
1.- Actividad de agua entre 0 y 0,2
Es agua que está fuertemente ligada en el alimento. Esta agua forma una capa monomolecular sobre solutos del alimento por lo que se le suele llamar agua monocapa. Es agua prácticamente imposible de extraer si no se destroza el alimento, no es congelable ni siquiera a temperaturas de -40ºC y no está disponible para las reacciones químicas ni como reactivo, ni como disolvente. Representa en los alimentos en torno al 0,5%. Suele ser, por ejemplo, el agua que forma puentes de hidrógeno con proteínas o con los grupos hidroxilo de los glúcidos.
2.- Actividad de agua entre 0,2 y 0,8
Es agua débilmente ligada. Esta agua está interaccionando con el agua monocapa, en lugar de con los solutos, por puentes de hidrógeno. Igualmente se considera agua débilmente ligada a la que se encuentra condensada en los poros capilares de los alimentos. Esta agua es disponible para reacciones químicas pero no para los microorganismos. Representa al 5% del agua presente en un alimento incluyendo el agua monocapa.
3.- Actividad de agua superior a 0,8
Es agua que no presenta ningún tipo de influencia por parte de los solutos. Es agua disponible y de gran movilidad. Esta agua se puede intercambiar con el agua multicapa. Se denomina también agua de la fase masiva y existen dos tipos:
En el eje de las X estaría representado el contenido de humedad del alimento.
En el eje de las Y estaría representada la actividad de agua del alimento.
Desde la primera flecha hacia la izquierda: agua monocapa. Aw = 0-0,2
Entre las dos flechas: Agua multicapa. Aw = 0,2-0,8.
Desde la segunda flecha hacia la derecha: Agua libre. Aw = 0,8-1.
Las isotermas presentan gran interés ya que a partir de ellas se pueden predecir de forma aproximada las actividades de agua de mezclas de alimentos si conocemos las isotermas individuales de cada componente y la concentración en la que se van a presentar en el alimento mezcla.
El crecimiento microbiano se puede dar en actividades de agua a partir de 0,8 de forma general. En el caso de las bacterias a partir de 0,91. En el caso de levaduras 0,88 y en el de mohos 0,8. Las bacterias halófilas, mohos xerófilos y levaduras osmófilas pueden crecer con actividades de agua inferiores a 0,8 pero nunca inferiores a 0,6. Así pues, si reducimos la actividad de agua de un alimento por debajo de valores de 0,8 será muy seguro microbiologicamente hablando.
La reacción de Maillard se favorece con valores de actividad de agua entre 0,4 y 0,7. Por debajo y por encima de estos valores la reacción se verá inhibida.
La reacción de oxidación de lípidos se ve inhibida con actividades de agua entre 0,2 y 0,4. Con valores por debajo y por encima se ve favorecida siendo la única reacción de deterioro de un alimento que se puede producir con valores de actividad de agua por debajo de 0,2.
Las reacciones enzimáticas se favorecen a partir de actividades de agua de 0,4 y a medida que aumenta esta cifra, se favorecen en mayor medida. Una buena solución, como ya vimos, para no tener problemas con este tipo de reacciones es someter al alimento a un escaldado.
En resumen, actividades de agua por debajo de 0,8 hacen al alimento muy seguro de un posible problema microbiológico pero no se inhiben las reacciones químicas y bioquímicas, en tanto que con actividades de agua por debajo de 0,3 los alimentos serán muy seguros en todos los aspectos, salvo con reacciones de oxidación.
En la congelación se da una disminución de la disponibilidad del agua ya que parte esta se encuentra en forma de hielo pero se da concentración de solutos en el agua que no está congelada y se pueden dar problemas dado que este agua ha modificado su PH, potencial redox, etc. En cualquier caso, las bajas temperaturas reinantes son las que hacen los alimentos bastante seguros dado que no pueden crecer microorganismos y se ven inhibidas las reacciones químicas y bioquímicas para las cuales, por otra parte, se pueden tomar otra serie de medidas para inhibirlas aún más.
Por lo tanto, con todo lo visto hasta ahora sabemos que a medida que se disminuye la cantidad de agua que tiene un alimento, éste es más seguro. A continuación vamos a ver los diferentes métodos existentes para deshidratar los alimentos y las ventajas y desventajas de unos con respecto a otros.
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN DE ALIMENTOS
Evaporación
La evaporación consiste en la eliminación del agua de un alimento por ebullición. El agua tiene el punto de ebullición en 100ºC a presión atmosférica (101.325 Pa) en tanto que los solutos contenidos en ella tienen un punto de ebullición superior por lo que si se somete al alimento a temperaturas por encima del punto de ebullición del agua y por debajo del punto de ebullición de los solutos, se consigue disminuir en contenido de agua del alimento y concentrarlo.
Con la evaporación se consiguen las siguientes ventajas:
Como medio de calefacción se utiliza vapor de agua dado que se puede transportar fácilmente de un sitio a otro y porqué al condensar cede su calor latente de vaporización que es alto (unas 540 Kcal / Kg.).
La evaporación se utiliza por ejemplo en los zumos, leche, azúcar, etc. En el caso del azúcar, se extrae líquido de la remolacha mediante agua caliente y seguidamente se concentra el azúcar diluido en el agua mediante evaporación. Finalmente por concentración del soluto, el azúcar cristaliza.
El funcionamiento básico de un evaporador es el siguiente:
La alimentación entra en la cámara de ebullición. Por otro lado existe otra cámara llamada calandria donde entra el vapor de agua o vapor vivo que condensará cediendo el calor latente de vaporización. Al aumentar la temperatura la alimentación, dado que recoge el calor latente de condensación del vapor vivo, parte se mantiene líquido y parte se transforma en vapor con lo que habrá tres salidas en el condensador: una del vapor condensado a partir del calor vivo que tendrá una masa igual a la del vapor vivo que ha entrado, otra que es el vapor producido por la evaporación de parte de la alimentación introducida, y finalmente la alimentación líquida concentrada ya que en parte se ha evaporado.
Los evaporadores suelen operar a presiones por debajo de la atmosférica para que no sea necesario elevar la temperatura de la alimentación hasta 100ºC para que evapore el agua y de esta forma se ahorre energía calorífica, aumentando así el rendimiento de la operación, y de esta forma también se conservarán en mayor medida las propiedades organolépticas y nutritivas de la alimentación.
El vapor producido a partir de la alimentación se introduce en un condensador donde contactará con tubos que contienen líquido de enfriamiento y condensará.
Existen muchos tipos de evaporadores: evaporadores de simple efecto o de múltiple efecto (doble, triple, cuádruple,…etc.) y evaporadores de circulación forzada, de calandria externa, de tubos largos, de placas, de flujo expandido, etc.
La concentración de los alimentos por evaporación suele ser más barata que por otros métodos pero tiene el inconveniente de que al aplicarse alta temperatura, se pierden propiedades nutritivas, y organolépticas (sabores, aromas, colores diferentes al original, etc.).
Crioconcentración
Es la concentración del alimento por congelación. Consiste en la cristalización fraccionada del agua en hielo y eliminación posterior por separación mecánica o lavado en columna.
Por este método se consigue eliminar agua del alimento sin dañar las propiedades nutritivas y organolépticas del alimento pero como contrapartida el coste de la operación es superior a otros métodos y la capacidad de producción es inferior.
El coste elevado se debe a los costes de refrigeración y los costes de instalaciones y funcionamiento. Por ello este método es de uso limitado y tan solo se emplea para productos de alto valor añadido como zumos, café aceite, vinagres de sidra o vino y en tratamientos previos a la liofilización.
El funcionamiento del sistema es el siguiente:
La alimentación entra al tanque de almacenamiento, a partir del cuál se transporta por tubería y gracias a las bombas hasta el intercambiador de calor donde se congela parte de la alimentación gracias al líquido refrigerante que hay en el intercambiador de calor que puede ser directo o indirecto de superficie rascada. Una vez la alimentación ha salido del intercambiador de calor, es conducida a un recipiente de mezclado donde unas paletas giran a velocidad lenta y provocan el crecimiento de los cristales de hielo de la alimentación. Por último la alimentación es conducida a un separador donde se separa la masa pastosa de hielo y el líquido concentrado. La separación puede llevarse a cabo por varios métodos como centrifugación, filtración, columna de lavado, etc. siendo este último el más eficaz.
La columna de lavado es un cilindro vertical que recibe la alimentación por su parte inferior y que en su estructura posee un fundidor que funde los cristales de hielo y el concentrado que se encuentra entre dichos cristales escurre hacia abajo con lo que el agua que estaba en forma de hielo saldrá por la parte superior del cilindro y el concentrado por la parte inferior.
Este sistema puede llevarse a cabo en una etapa o múltiples etapas. Los concentradores de múltiples etapas consumen menos energía y su capacidad de concentración es mayor.
Liofilización
Al igual que en el caso de la crioconcentración, este sistema para disminuir la actividad de agua de los alimentos presenta la ventaja de no alterar las propiedades nutritivas y organolépticas del alimento tratado pero como contrapartida los gastos del proceso son mayores dado que para llevarlo a cabo se ha de aplicar congelación, vacío y los gastos de instalaciones son mayores.
Por lo tanto este proceso también se empleará en alimentos con alto valor añadido como café, champiñones, hierbas aromáticas, zumos de fruta, carnes, mariscos, especias, etc.
Los gastos de la liofilización suelen ser unas cuatro veces mayores que en el caso de la deshidratación convencional pero a cambio se producen cambios mínimos en el alimento tanto a nivel de olores y aromas, de color, de pérdida de nutrientes, cambios estructurales de textura y se puede aplicar en prácticamente todos los alimento aunque por su coste se aplica sólo sobre unos pocos.
Al rehidratar el alimento, se devuelven prácticamente en su totalidad las propiedades primitivas y únicamente hay que tener especial cuidado en el alimento liofilizado frente a la oxidación ya que son susceptibles de oxidarse lo cuál se puede evitar envasando los alimentos en atmósferas de gases inertes.
La liofilización se lleva a cabo de la siguiente forma:
1.- Congelación del alimento: El método a seguir dependerá de si el alimento es sólido o líquido. En el caso de sólidos se utiliza una congelación rápida dando lugar a cristales pequeños que dañan menos la estructura. Por el contrario, en los alimentos líquidos conviene que la congelación sea lenta para que se forme una red cristalina con sus canales que posibilitará la salida del vapor de agua
2.- Vacío: El vacío consiste en la disminución del la presión por debajo de la atmosférica. El punto triple de un elemento es a la temperatura correspondiente, la presión que por encima de la cuál se puede encontrar ese elemento en los tres estados físicos posibles (sólido, gaseoso y líquido) y por debajo de la cual tan solo se da el estado sólido y vapor. En el caso del agua el punto triple está situado a 0ºC y 4,58 torr (610 Pa). Si el alimento se mantiene por debajo de esa presión y se calienta el alimento, el hielo sublimará, es decir se convertirá en vapor sin pasar por el estado líquido.
La liofilización se lleva a cabo en dos pasos: En primer lugar se disminuye el contenido de agua hasta un 15%, y a continuación el contenido de agua se reduce hasta un 2% aproximadamente por deshidratación evaporativa manteniendo el alimento a presión reducida y aumentando más la temperatura. Finalmente, el vapor se condensa en forma de hielo en otro recinto.
Existen varios liofilizadores: por contacto, acelerados, por radiación y de calentamiento dieléctrico y por microondas.
Una vez el alimento se ha liofilizado hay que preservarlo del oxígeno, como ya hemos dicho antes, y de golpes ya que es muy frágil.
Deshidratación
La deshidratación es la operación mediante la cual se pierde la gran mayoría del agua presente en el alimento.
Por este mecanismo se inhiben, por disminución de la actividad de agua y no por la temperatura que se alcanza el alimento, enzimas y microorganismos. Es un proceso más barato que la liofilización y crioconcentración y se consiguen mayores rendimientos pero a cambio se disminuye las propiedades nutritivas del alimento y sus características organolépticas, especialmente la textura.
Algunos alimentos que se someten a este tratamiento son el azúcar, café, la leche, las legumbres, nueces, etc.
Se puede llevar a cabo por ejemplo sometiendo el alimento a corriente de aire caliente o por contacto con superficies calientes. Para determinar los resultados finales que se van a obtener según las propiedades del aire que va a recorrer el alimento, se emplean los diagramas psicométricos.
Existen multitud de sistemas de deshidratación como deshidratadores de aire caliente (de tolva, de bandejas, de lecho fluidificado, etc.), intercambiadores de calor, o deshidratadores de superficie caliente (de rodillos, o banda sin fin).
Se puede eliminar el agua de los alimentos por otros mecanismos como horneo, membranas o separación mecánica pero hemos expuesto las más utilizadas para disminuir la actividad de agua de un alimento en gran medida con el fin de aumentar la conservabilidad del mismo.