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1 FISICOQUÍMICA DE ALIMENTOS (1514) UNIDAD 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE CINÉTICA QUÍMICA Y SU APLICACIÓN EN ALIMENTOS Mtra. Josefina Viades Trejo 29 de enero de 2013 Revisión de términos Cinética Química Estudia la rapidez de reacción, los factores que la afectan y establece el mecanismo mediante el cual se efectúa la reacción. Ejemplo: la hidrólisis de la sacarosa para dar glucosa y fructosa C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 La cinética se aplica en la resolución de problemas como establecimiento de las condiciones de almacenamiento, de la fecha de caducidad mediante el estudio de la rapidez de descomposición del alimento. Rapidez de reacción . Es el número de moles por unidad de volumen de una sustancia que reaccionan en una unidad de tiempo, o sea, el cambio de concentración con el tiempo. dt dC r i i = (1) Rapidez de descomposición : Se refiere a la disminución de la concentración de una especie reactiva en el tiempo, este decremento se indica por el signo negativo en la ecuación (1) que se manifiesta como una pendiente negativa en la gráfica de C vs t. Rapidez de formación : Se refiere al aumento de concentración de una especie producida en la reacción en cuyo caso la ecuación (1) no llevará el signo negativo y la gráfica de C vs t mostrará pendiente positiva. Relación entre las rapideces de descomposición y formación de los diferentes componentes de la mezcla de reacción: D C B A + + 3 2 dt dC dt dC dt dC dt dC D C B A = = = 3 1 2 1

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1

FISICOQUÍMICA DE ALIMENTOS (1514) UNIDAD 1.

CONCEPTOS BÁSICOS DE CINÉTICA QUÍMICA Y SU APLICACIÓN EN ALIMENTOS

Mtra. Josefina Viades Trejo 29 de enero de 2013

Revisión de términos

Cinética Química Estudia la rapidez de reacción, los factores que la afectan y establece el mecanismo

mediante el cual se efectúa la reacción.

Ejemplo: la hidrólisis de la sacarosa para dar glucosa y fructosa

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6

La cinética se aplica en la resolución de problemas como establecimiento de las

condiciones de almacenamiento, de la fecha de caducidad mediante el estudio de la rapidez

de descomposición del alimento.

Rapidez de reacción. Es el número de moles por unidad de volumen de una sustancia que reaccionan en una

unidad de tiempo, o sea, el cambio de concentración con el tiempo.

dt

dCr ii −= (1)

Rapidez de descomposición: Se refiere a la disminución de la concentración de una especie

reactiva en el tiempo, este decremento se indica por el signo negativo en la ecuación (1)

que se manifiesta como una pendiente negativa en la gráfica de C vs t.

Rapidez de formación: Se refiere al aumento de concentración de una especie producida en

la reacción en cuyo caso la ecuación (1) no llevará el signo negativo y la gráfica de C vs t

mostrará pendiente positiva.

Relación entre las rapideces de descomposición y formación de los diferentes componentes

de la mezcla de reacción:

DCBA +→+ 32

dt

dC

dt

dC

dt

dC

dt

dC DCBA ==−=−3

1

2

1

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2

0 2 4 6 8 10

0

2

4

6

8

10

Co

nc (

mg/m

L)

t (hr)

Rapidez de formación

dt

dCr +=

dt

dC

tt

CCrpendiente =

−−

==12

12

0 100 200 300 400

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

(m

g/L

)

t (min)

dt

dCr −=

Rapidez de descomposición

Ley (ecuación) experimental de rapidez. Es la expresión matemática, obtenida a partir de datos experimentales que relacionan a la

rapidez con las variables que la afectan.

Constante de rapidez. Representa la proporcionalidad entre la rapidez y las variables que la afectan,

fundamentalmente la concentración.

( )βαyxi CCfr = ( )βα

yxi CCkr =

La rapidez sólo tiene sentido instantáneamente, pues cambia con concentración y tiempo,

en cambio k es independiente de concentración y tiempo ∴ característica de cada sistema

en condiciones dadas: k = f (T,pH,I,cat, inhi)

Para reacciones reversibles k1≠k-1, en reacciones complejas la k experimental suele ser una

mezcla de las k de cada etapa. La k se determina experimentalmente, sus unidades dependen del orden.

Orden de reacción. Es el exponente al cual se encuentra elevada la concentración de un reactivo en la ecuación experimental de rapidez. Sea la reacción X + Y → P

En general la rapidez: ( )βαyxi CCfr =

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Donde α, y β son los órdenes respecto a X e Y respectivamente y se conocen como órdenes

parciales; a la suma (α + β) = n total se le conoce como orden total o global de la reacción.

αααα y ββββ NO son los coeficientes estequiométricos, se obtienen experimentalmente.

Existen órdenes enteros (0,1, 2, 3,..., n) y órdenes fraccionarios

ntotal no tiene sentido en reacciones complejas.

23 32 OO →

[ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ]3221

2

3213 2

OkMOk

MOkk

dt

Od

+=−

Si n = 0 r = f (C0) y por tanto r es independiente de la concentración.

Si n > 0 entonces r varía exponencialmente con la "enésima" potencia de la o las

concentraciones.

La información de utilidad práctica que se obtiene a partir del conocimiento del orden de reacción, es la magnitud de la influencia de la concentración de ese reactivo sobre la rapidez; así como sobre la forma que tiene la función: r = f(Cn), es decir cómo es la gráfica obtenida.

r = f(CA)n n ≠1nA→ Xn

r=f(CA)(CB)(CC)

r=f(CA)2(CB)

r=f(CA)3

A + B +C → X

2A + B → X

3A → X

3

r=f(CA)(CB)

r=f(CA)2

A + 2B → X

2A → X

2

r=f(CA)A → X1

r ind concA → X0

Ecuación DiferencialrapidezReacción Tipoorden

a=b

a =b=c

kkCdt

dXA == 0

AkCdt

dX=

2

AkCdt

dX=

BACkCdt

dX=

)()( 2 xcxakdt

dX−−=

)()2( 2 xbxakdt

dX−−=

3)( xakdt

dX−=

nxakdt

dX)( −=

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r = f(CA)n n ≠1

nA→ Xn

r=f(CA)(CB)(CC)

r=f(CA)2(CB)

r=f(CA)3

A + B +C → X

2A + B → X

3A → X

3

r=f(CA)(CB)

r=f(CA)2

A + 2B → X

2A → X

2

r=f(CA)A → X1

r ind concA → X0

Ecuación IntegralrapidezReacción Tipoorden

t

Xk =

txa

ak

= ln

)(

)(

)(ln

bat

xba

xab

k−

−−

=

tk

xaax

)( −=

−−

+−−

−=

)(

)(ln

)(

)(

)(

1

xca

xac

xaa

acx

batk

−−

+−−

−=

)(

)2(ln

)2(

)2(2

)(

12 xba

xab

xaa

abx

actk

−=

22

1

)(

1

2

1

axatk

−−=

−− 11

1

)(

1

)1(

1nn axant

k

Seudo-orden: Cuando el mecanismo de la reacción parece ser de un cierto orden en unas condiciones de

trabajo, y de otro orden en condiciones diferentes; como por ejemplo en los siguientes

casos:

− Reacciones donde el disolvente (X) es a la vez reactivo y por tanto sucede que: CX

>> CY ∴ CX ≈ cte. − Reacciones donde se presenta una catálisis o una inhibición

Tiempo de vida media. Es el tiempo en el cual se consume la mitad (50%) de la concentración inicial de un

reactivo.

Se refiere a cada reactivo. Puede coincidir para dos o más reactivos, si las concentraciones

iniciales son iguales y la reacción es 1:1. No confundir con la mitad del tiempo total de

reacción.

Reacción elemental. Cuando los reactivos dan lugar a los productos en un solo paso o etapa, es decir, es cada

uno de los pasos que se siguen para la formación de productos. También se llama Etapa

elemental.

Molecularidad. Es el número de moléculas que toman parte en una colisión simple, es decir, en una

reacción elemental. Es un concepto que debe determinarse experimentalmente. Las

reacciones elementales pueden ser: mono moleculares, bimoleculares, o trimoleculares.

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Mecanismo de reacción. Es una descripción detallada del conjunto de etapas o reacciones elementales que dan lugar

a los productos de reacción. En el caso de un mecanismo de una sola etapa, representa la

trayectoria estereoquímica.

Ejemplo: Reacción de Karl-Fischer

I2 + SO2 + 3 C5H7N + H2O + CH3OH → 2 C5H8NI + C5H8NSO4CH3

1) I2 + SO2 + 3 C5H7N + H2O → 2 C5H8NI + C5H7NSO3

2) C5H7NSO3 + CH3OH → C5H8NSO4CH3

Etapa determinante de rapidez. Es la etapa o reacción elemental de menor rapidez dentro del mecanismo, por ello es la que

determina la rapidez global de la reacción.

Modelos de evaluación de constantes (Leyes empíricas)

Los modelos de evaluación de constantes de rapidez requieren el conocimiento de la

composición de la mezcla a diferentes tiempos, se obtiene "n" y se determina "k" como

parte del proceso de determinación de la ley de rapidez. Los datos experimentales llamados

datos cinéticos (C y t) se determinan con técnicas de análisis cuantitativo.

Los modelos de evaluación de constantes son métodos de análisis matemático de los datos

cinéticos. Originalmente estos modelos se aplican a datos cinéticos de reacciones del tipo

A → X, es decir, reacciones donde solo se involucra la transformación de un solo reactivo.

Ejemplo: Ejemplo: La cinética de la descomposición del agua oxigenada:

2H2O2 → 2H2O + O2

i) Método integral.

ii) Método diferencial.

iii) Método de la vida media.

Método integral (ensayo y error). Fundamento: Si la reacción obedece una ley de rapidez del tipo r = k C

n y un valor

determinado de "n", entonces los datos cinéticos satisfarán la ecuación integrada para tal

orden.

XA→

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[ ] [ ]αAkdt

Adr =−= (2)

Se suponen valores para α y se integra la ecuación diferencial (2).

Formas analítica y gráfica del método integral. Usan los mismos datos experimentales, son

formas complementarias de manejo de datos, conviene usarlas ambas como medio de

confirmación de resultados. Se obtiene un orden aparente o respecto al tiempo, con

cualquiera de las formas de aplicación del método.

Limitaciones del método:

1. 1.8 ≈ 2.0, es decir, es un orden fraccionario y sin embargo se obtiene a veces una

buena recta para el orden entero más cercano o a veces para los dos más cercanos.

Aparentemente más de un orden se cumple

2. Se obtiene nt, posible influencia de productos. Puede suceder que no cumpla ningún

orden o que aparentemente cambie de orden con el tiempo

3. Puede no cumplir ningún orden probado o bien no ser determinante la certeza de

ninguno. Puede ser una reacción que no pertenezca a ningún orden, es decir, reacción

compleja.

Método diferencial. (Van’t Hoff)

Fundamento: Para una reacción en la que participa una sola sustancia, la rapidez

instantánea es proporcional a Cα. Sea la reacción:

XA→

[ ] [ ]αAkdt

Adr =−= (3)

[ ]Akr logloglog α+= (4)

El método diferencial puede aplicarse para obtener el orden aparente o respecto al tiempo

(nt) y también para obtener el orden verdadero o respecto a la concentración (nc).

Método diferencial para determinar el orden aparente (nt).

1. Usa los mismos datos del método integral.

2. de la gráfica de C vs t se obtienen las rapideces a diferentes concentraciones

sacando la primera derivada (d[A]/dt) (paquetería: Kaleida, Excell, Origin, etc) 3. Usar la ecuación (4) para determinar nt (αt) a partir de la pendiente y k a partir de la

ordenada.

Método diferencial para determinar el orden verdadero (nc).

1. Se deben determinar las rapideces iniciales, por lo cual se requieren forzosamente

varias corridas con concentración inicial diferente.

2. Se obtienen las rapideces iniciales de las gráficas de C vs t (paquetería: Kaleida,

Excell, Origin, etc)

3. Usar la ecuación (4) para determinar nc (αc) a partir de la pendiente y k a partir de la ordenada.

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Método de la vida media. Fundamento: Para una reacción en la que participa una sola sustancia, la vida media del

reactivo es proporcional a (1/an-1), para n >1. Sea la reacción:

XA→

Para obtener la vida media del reactivo se traza la gráfica de CA vs t, y de ésta se obtiene la

vida media. Se requieren varias corridas a diferente concentración inicial de A.

0 100 200 300 400

0.4

0.8

1.2

[Vit C

] (m

g/L

)

t (min)

Contenido de acido Ascorbico en el zumo de naranja

950C 40

0Brix

a

a / 2

ττττ

= −1

1na

fτ (5)

Dadas τ1 y τ2 para a1 y a2 respectivamente se cumple que:

1

1

2

1

2

1

1

2

1

1

1−

==

n

n

n

a

a

a

a

ττ

(6)

( )

−=

1

2

2

1 log1loga

an

ττ

(7)

1

log

log

1

2

2

1

+

=

a

an

ττ

(8)

Con la ecuación (8) y los datos de τ y a de las diferentes corridas se calcula n o bien se puede construir una gráfica con la ecuación (7) y de la pendiente despejar el orden de

reacción

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Limitaciones:

1. Válido sólo para un reactivo, o bien cuando hay más de un reactivo implicado y la

reacción es 1:1 (a=b=...), o bien usar método del aislamiento de Ostwald.

2. Si cumple una ley de rapidez del tipo: r = kCn.

3. Si nc = nt el método es seguro.

4. Si nc ≠ nt se obtiene una mezcla indeterminada de ambos órdenes, ya que τ relacionada con nt y por su dependencia de la concentración inicial (a) se relaciona con nc.

Si nc = nt No hay interferencia de productos

Si nc ≠≠≠≠ nt Si hay interferencia de productos

nc < nt

Auto inhibición

“r” disminuye más de

lo esperado según nc

nc > nt

Auto catálisis

“r” disminuye menos de

lo esperado según nc

Metodo Vida Media

y = 0.9952x + 0.0023

R2 = 0.9999

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

log(Cj/Ci)

log(ti / tj)

1

2

2

1 log)1(loga

an−=

ττ

1+= pendienten

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Diseño de experimento para reacciones donde participan dos o más reactivos. Método

de aislamiento (desbordamiento) de Ostwald

Dado que en un gran número de reacciones y sobre todo en el caso del deterioro de

alimentos, están involucrados dos o más reactivos cuyos órdenes se desean determinar, el

diseño del experimento suele basarse en el Método de aislamiento (desbordamiento) de

Ostwald que se basa en el principio del seudo orden.

DCBA +→+ 32

( )βαBACCkr = (9)

BA CC ⟩⟩

↵ ↵ Desbordado Aislado (R. Limitante)

(CA)o ≈ constante ∴ CAα ≈ constante y dado que k = constante entonces:

βBpsCkr = (10)

αAps kCk = (11)

¿Cómo se diseña el experimento, para determinarα, β y k con el menor número de

mezclas posible? Se puede diseñar un experimento de 5 mezclas de reacción con valores

de a y b diferentes pero siempre cuidando que b<< a, primero se determina el orden β

con alguno de los modelos de análisis matemático mencionados, y luego modificando la

ecuación (10) podemos determinar α y k como sigue:

Aps Ckk logloglog α+= (12)

Ejemplo: Producción de acetileno a partir de agua, esta reacción se usa en análisis de

alimentos en la determinación de la cantidad de agua. En este caso la estamos usando como

un ejemplo de reacción entre el carburo de calcio y agua que no está contenida en un

alimento

2CaC2 + 4 H2O → 2 C2H2 + 2Ca(OH)2

2A + 4B → 2C + 2D

βα BkAr = 1

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Se puede “aislar” B y “desbordar” A, entonces b << a por tanto la ecuación 1 queda:

βBkr ps= 2

αkAk ps = 3

Mezcla A B kps 1 a1 b1 (kps)1 2 a2 b2 (kps)2 3 a3 b3 (kps)3 4 a4 b4 (kps)4 5 a5 b5 (kps)5

Nota en todas las mezclas b << a

Para determinar el orden β (con la Ec. 2), se usa el método integral o el diferencial. La

constante de rapidez que se obtiene es kps que es independiente de la concentración de B pero si depende de la concentración de A, sin embargo, si variamos su concentración

entonces kps va a variar y se tendrán 5 valores diferentes para la kps

Para calcular el orden α la ecuación 3 se modifica:

Akk ps logloglog α+= 4

La gráfica de log kps vs log A nos permite calcular el orden αααα (de la pendiente) y la constante k (de la ordenada).

Aplicación: Vida de anaquel y cinética de deterioro de alimentos.

La vida de anaquel de un alimento es el tiempo que éste puede almacenarse desde el

momento en que se produce hasta que consumirlo ya no es seguro y/o deseable.

La Cinética de deterioro de un alimento es el estudio de la rapidez con que se pierden las características deseables (calidad) del alimento.

� La calidad en el campo de los alimentos tiene diversas acepciones: propiedades

organolépticas, propiedades funcionales y calidad nutricional.

� La pérdida de calidad puede suceder durante el procesamiento o durante el

almacenamiento del alimento.

� La pérdida de calidad durante el almacenamiento puede tratarse como un proceso a

temperaturas relativamente bajas por periodos muy largos.

� Los agentes responsables pueden ser físicos, químicos y biológicos así como

combinaciones de ellos.

Principios de modelamiento de reacciones. La rapidez de cambio de calidad es una

función de factores de composición del alimento y de factores ambientales:

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Factores de Composición (Ci) Factores Ambientales (Ej)

Componentes del alimento, catalizadores

inorgánicos y enzimáticos, inhibidores, pH,

actividad de agua, contaminación

microbiana

Temperatura, presión total y parcial de

gases, humedad relativa, luz, tensión

mecánica.

Tomando en cuenta estos factores, la rapidez de cambio de calidad es:

),( ji ECFdt

dQ= (1.3.1)

La cinética de deterioro de alimentos no es un proceso sencillo de estudiar, los alimentos

son sistemas fisicoquímicos muy complejos con muchas variables físicas y químicas que no

resulta práctico (en ocasiones es imposible) definir cuantitativamente.

La complejidad de los sistemas es tal que aun en los casos en que se puedan expresar en

términos de parámetros mensurables no existe una solución analítica y las soluciones

numéricas son muy complicadas para ser útiles.

La metodología práctica consiste en identificar los cambios químicos y biológicos que

influyen de manera importante en la calidad y seguridad del alimento.

Se representa de manera simplificada una ecuación de reacción que presente el efecto de la

concentración de los componentes involucrados, para lograr un modelo de cambio de las

concentraciones de los componentes conectados con el cambio de calidad en función del

tiempo y considerando los factores ambientales constantes para evitar su influencia.

µ1 A1 + µ2 A2 + µ3 A3 + … + µm Am

fk

→ P

[ ][ ] [ ] [ ] mnm

nn

f

j

j

AAAkdt

Adr L

21

21

1=−=

µ (1.3.2)

Los procesos de deterioro de los alimentos con mucha frecuencia son muy complejos no es

fácil determinar la reacción determinante de rapidez ni los productos intermediarios. En

muchos casos las reacciones son reversibles

µA A + µB B ↔f

b

k

k

µC C + µD D

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]δγβα

δγβαDCkBAk

dt

Dd

dt

Cd

dt

Bd

dt

Adr bf −===−=−= (1.3.3)

En este caso como la reacción directa y la inversa son reacciones elementales los

coeficientes estequiométricos coinciden con los órdenes de reacción es decir α = µA, β = µB, γ = µC y δ = µD Generalmente en las reacciones de deterioro kb << kf o bien, durante el periodo de interés están lejanas al equilibrio, por lo cual es posible tratarlas como reacciones irreversibles.

Comúnmente el reactivo que más influye en el deterioro es un reactivo limitante por lo que

es posible considerarlo como “aislado”.

[ ] [ ]αAkdt

Adr f

'=−= (1.3.4)

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Es decir que la reacción es de un seudo orden α respecto al componente A y tiene una

constante de seudo orden k’f. A partir de la ecuación (1.3.4) se puede estudiar la cinética de

deterioro con el método integral o el diferencial (en ambas formas).

Efecto de los factores ambientales.

La cinética de deterioro de un alimento y por ende su vida de anaquel están determinadas

por la pérdida de calidad, es decir, la pérdida de características deseables o factores de

calidad A (nutrientes, sabor, olor) y/o por la formación de factores indeseables B (sabores y

olores indeseables, pérdida de color), las rapideces de cambio de estos factores están dados

por:

[ ] [ ]mkdt

dr Α=

Α−=Α (1.3.5)

[ ] [ ] ''

mk

dt

dr Β=

Β=Β (1.3.6)

A y B son parámetros químicos, físicos, sensoriales o microbiológicos cuantificables y

característicos para un sistema alimentario.

Dado que los factores ambientales también pueden variar con el tiempo es posible extender

los modelos cinéticos para incluirlos como variables.

( )jEkk = (1.3.7)

Los factores ambientales con mayor influencia en la cinética de deterioro y en la vida de

anaquel son: T, humedad relativa, P total y parcial de gases, luz. El que se estudia con más

frecuencia es la T pues los demás generalmente pueden controlarse con el empaque.

Efecto de la temperatura de almacenamiento � Se sabe que al aumentar la temperatura , se produce un incremento de rapidez ∴∴∴∴ r =

f(T)

� Anteriormente se consideraba que si la T se incrementaba 10 0K, la rapidez se

duplicaba, es decir, si a la temperatura T1 la rapidez es r1 entonces para una

temperatura T2 = (T1+ 10 K) la rapidez será r2 = 2r1.

� Sin embargo esto no es siempre cierto, por ejemplo para la hidrólisis del acetato de

metilo k35C = 1.82 k25C mientras que para la hidrólisis de la sacarosa k35C = 4.13

k25C.

Teoría o Ley de Arrhenius (1889). � Arrhenius propone que para que la reacción suceda se requiere que haya colisiones

entre las moléculas de los reactivos

Ec ⇒ colisiones ⇒ reacción ∴∴∴∴ r α frecuencia de colisión ⇓ ⇓ Barrera energética ⇐ Ea A

� No todas las colisiones son productivas, solamente aquellas que producen la energía

de activación (Ea) por lo que ésta se considera como una barrera energética entre

reactivos y productos.

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13

� La energía de activación se define como: la energía en exceso (adicional) que durante la colisión deben adquirir las moléculas reaccionantes para formar

productos.

� Para la reacción A + B → C + D

� Se observa que si T aumenta, la Ec también aumenta ⇒ Ea disminuye. Esto se

puede explicar de acuerdo a la distribución de Boltzman:

� La agitación térmica constante, permite que las moléculas en una muestra se

encuentren distribuidas en los niveles de energía accesibles a ellas, la mayor parte

de ellas en los niveles de menor energía sobre todo a T bajas, si la T aumenta la cola

de la distribución se adentra más en los niveles de energía superior.

� La distribución de Boltzman permite calcular la población de los niveles superiores:

−−

= RT

EE

j

i

ji

eN

N (1.3.8)

� Entonces la fracción de moléculas con Ea sería:

RT

Ea

Total

Ea en

n −= (1.3.9)

� Según se dijo previamente, la rapidez es función de la energía de activación y de la

frecuencia de colisiones de modo que:

EaAnr = (1.3.10)

C + D

A + B

C.A.

∆E

E

1 E -1

E

Cero absoluto tibio caliente

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(1.3.9) en (1.3.10): TotalRT

Ea

nAer

−= (1.3.11)

� Por otro lado sabemos que en general:

kCr = (1.3.12)

� Dado que (1.3.11) = (1.3.12) si se despeja k se obtiene la expresión de la Ley de

Arrhenius:

= RT

Ea

Aek (1.3.13)

� La ecuación (1.3.13) muestra que la rapidez de reacción varía exponencialmente con la

temperatura; para una representación gráfica de los datos experimentales de k vs T, es

conveniente modificar la ecuación en la siguiente forma:

−=TR

EaAk

1lnln (1.3.14)

� De esta recta se pueden obtener los parámetros de Arrhenius, si se tienen solo datos a

dos temperaturas se usan las siguientes ecuaciones:

RTT

TT

k

kEa

=

12

21

1

2ln (1.3.15)

−= 21

2

21

1

21

TT

T

TT

T

kkA (1.3.16)

� Para datos a tres o más temperaturas se grafica lnk vs 1/T o bien se usa k vs 1/T en una

gráfica semi logarítmica.

−=TR

EaAk

1lnln

RTT

TT

k

kEa

=

12

21

1

2ln

−= 21

2

21

1

21

TT

T

TT

T

kkA

lnk

1/T

ln A

- Ea/R

(1.3.14)

(1.3.15)

(1.3.16)

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� La T para la cual k = A en la ecuación (1.3.13) es T=0 K. en el caso de alimentos se

recomienda definir una T de referencia que corresponda al promedio del intervalo de T

propio del proceso descrito. Para la mayoría de las condiciones del almacenamiento la

Tref=300 K y para procesos térmicos es de 373.15 K.

−−=

ref

refTTR

Eakk

11exp (1.3.17)

� La definición de una kref correspondiente a la Tref proporciona a la k un significado

físico y además indica cuál es el intervalo de aplicación de la ecuación de Arrhenius

que puede fallar fuera de este intervalo de T sobre todo cuando se presentan fenómenos

de transición de fase.

� La relación de constantes de rapidez a temperaturas que difieren entre sí 100C se

expresa como Q10 y se relaciona con el cambio en la vida de anaquel (θS) cuando el alimento se almacena a una T 10

0C mayor.

T

T

k

kQ 10

10

+= (1.3.18)

� El Q10 introduce una ecuación para la dependencia respecto a la T que difiere de la de

Arrhenius en el sentido de que k varía exponencialmente con T no con 1/T, por tanto la

gráfica de ln k vs T da una línea recta de pendiente positiva:

bT

oekTk =)( (1.3.19)

bTkk o += lnln (1.3.20)

+==

)10(

1010ln 10

TTR

EabQ (1.3.21)

� QA es un término similar al Q10 que se usa para incrementos diferentes a 100C los que

se reemplazan por A0C �

1010

A

A QQ = (1.3.22)

Pruebas Aceleradas de Vida de Anaquel. (ASLT)

� La ecuación de Arrhenius puede usarse para predecir rapideces de reacción y la vida de

anaquel de los alimentos a cualquier temperatura siempre y cuando esté dentro del

intervalo de aplicación de la ley.

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� La vida de anaquel de un alimento puede decirse que es el tiempo que éste puede

almacenarse desde el momento en que se produce hasta que consumirlo ya no es seguro

y/o deseable.

� La determinación de la vida de anaquel puede durar un tiempo prolongado, el modelo

de Arrhenius permite disminuir considerablemente este tiempo mediante las pruebas aceleradas de vida de anaquel usando T altas en los estudios de pérdida de calidad y luego extrapolando a las condiciones usuales.

� El diseño de estas pruebas aceleradas requiere del conocimiento integral de las

disciplinas relacionadas con los alimentos. Los pasos o etapas del proceso son:

1. La evaluación de los factores de seguridad microbiológicos

2. Identificar las reacciones biológicas y fisicoquímicas significativas en el proceso de

deterioro partiendo del análisis de la composición del alimento, el proceso y las

condiciones de almacenamiento

3. Selección del empaque usado durante la prueba.

4. Definir las T de prueba de almacenamiento.

5. Calcular el tiempo de duración de la prueba a cada T seleccionada partiendo del

tiempo deseado de vida de anaquel en las condiciones de almacenamiento elegidas y

a las temperaturas de manejo del alimento basadas en el valor más probable de Q10;

si no se conoce este valor se debe trabajar mínimo a tres temperaturas diferentes.

6. Decidir tipo y frecuencia de las mediciones a cada T, deben hacerse mínimo seis

mediciones para asegurar la confianza estadística.

7.

101012

T

Qff∆

= | (1.3.23)

f1= frecuencia a la T1; f2 = frecuencia a T2, T1 > T2 7. Seguimiento de las variables con el tiempo para determinar gráficamente el orden y

la rapidez de reacción a fin de considerar la posible modificación de la frecuencia

entre mediciones.

8. Aplicar la ley de Arrhenius a las constantes de rapidez a cada T y predecir la vida

de anaquel en las condiciones deseadas de almacenamiento.

Indicadores Tiempo –Temperatura (ITT) para monitoreo de la Vida de Anaquel

� El fechado de los alimentos no garantiza 100% que el riesgo de consumir un producto

echado a perder se ha eliminado, debido a que la temperatura de referencia y la historia

térmica del producto no se conocen por otro lado la terminología usada suele ser

confusa: “Pull date” (fecha de adquisición), “use by date” (úselo en la fecha), “sell by

date” (véndase en la fecha), “better if sold by date” (fecha óptima de venta), “better if

used by date” (fecha óptima de consumo), “date of pack” (fecha de empacado), la

mayoría de éstos están dirigidos al distribuidor pero el consumidor se confía a ellos.

� La mejor manera de asegurar que el consumo del producto es seguro y que tendrá una

calidad aceptable es mediante el control de la temperatura durante el almacenamiento y

distribución e integrar el cambio de T con el tiempo, es decir, llevar a cabo un

monitoreo de la temperatura mediante aditamentos llamados Indicadores Tiempo-

Temperatura (ITT).

� Son aditamentos simples y no costosos que pueden mostrar un cambio dependiente de

la temperatura fácil de medir, este cambio debe reflejar la historia térmica total o parcial

del producto al que se ha unido.

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� La historia térmica es el registro de los cambios de T que ha sufrido el producto desde

el día de su producción hasta un cierto momento (entrega al distribuidor )

� Son termómetros o termógrafos análogos o digitales que además de “muestrear” la T a

intervalos predeterminados y almacenar los datos para ser alimentados a una

computadora y mediante programas de computación pueden graficarse para análisis

posteriores o pueden ser integrados respecto al tiempo y correlacionarse con la calidad

del producto.

� La operación de estos aditamentos se basa en medir cambios irreversibles dependientes

de la temperatura en sistemas mecánicos, químicos, enzimáticos o microbiológicos, el

cambio se expresa a través de un cambio evidente ya sea una deformación mecánica, el

desarrollo de color o el movimiento del color.

� Monitores ITT historia térmica parcial: Integran la exposición a una temperatura

respecto al tiempo solamente cuando la T excede un cierto valor por ejemplo 900F,

cuando la T regresa al valor fijado (90F) la integración cesa.

� Monitores ITT historia térmica total: Integran continuamente la exposición a una

temperatura respecto al tiempo hasta la expiración del producto.

� Los ITT también se pueden clasificar según el principio de operación: reacciones

enzimáticas y no enzimáticas y diversas transformaciones físicas. ITT basados en

cambios de pH que provocan cambios de color en un indicador de pH ejemplo: la

hidrólisis enzimática del éster de un ácido graso, la difusión de un colorante (tinte) en

un material cuya viscosidad disminuye con la T el colorante difunde a lo largo de una

tira.

� Algunos ITT disponibles en el comercio están basados en el modelo de Arrhenius, se

debe tener la correlación de la respuesta (X) del ITT con el índice de calidad (A) de

modo que se puede expresar X en función del tiempo como:

( ) tRT

EakktXF t

−== exp1 (1.3.24)

� Donde F(X)t es la función de respuesta del ITT, t el tiempo, k la constante de rapidez

de la respuesta, k1 la constante de Arrhenius y Ea la energía de activación. Para un ITT

que ha sufrido los mismos cambios de T que el alimento monitoreado T(t) el valor de

F(X) se conoce a partir de la respuesta X, la temperatura efectiva (es una T constante que produce el mismo cambio en la calidad que la distribución de la T variable durante

el mismo periodo de tiempo) puede calcularse para T = Tef a partir de:

( ) ktAQ = (1.3.25)

Efecto de la Actividad de Agua. (aw) Papel del agua en los alimentos.

� Factor económico.

� Calidad nutricional.

� Estabilidad del alimento.

i. Crecimiento microbiano

ii. Reacciones (enzimáticas y oscurecimiento)

iii. Germinación de semillas

iv. Desnaturalización de proteínas

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v. Rancidez oxidativa.

� Propiedades funcionales.

i. Viscosidad

ii. Hidratación

iii. Turbiedad

iv. Textura

v. Formación de espuma

vi. Emulsificación

� Control del proceso.

i. Alimentos deshidratados

ii. Alimentos concentrados

� Condiciones de almacenamiento.

i. Alimentos deshidratados

ii. Alimentos frescos

iii. Elección del tipo de empaque

Distribución del agua en los alimentos.

� Agua libre.

� Agua adsorbida.

� Agua de hidratación.

Actividad de agua (aw). Es una medida indirecta del agua disponible para llevar acabo las

reacciones a las que están sujetos los componentes; determina el grado de interacción del

agua con los demás constituyentes del alimento.

0p

paw = (1.3.26)

p = presión de vapor del alimento a la temperatura T

p0 = presión de vapor del agua pura ala temperatura T

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Humedad relativa de equilibrio (ERH): Es la humedad relativa de la atmósfera en

condiciones de equilibrio con el alimento.

100

ERHaw = (1.3.27)

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100×= waERH (1.3.28)

Determinación del aw por el método de Landrock y Proctor 1. Se usan cámaras de T y humedad controlada.

2. La humedad se fija con soluciones sobresaturadas a la T de trabajo (Tabla)

3. Se registran pérdidas o ganancias en el peso del alimento y se grafican contra la

humedad relativa.

4. Cuando estas gráficas el valor cero (no hay ganancia ni pérdida) se determina el valor

de la humedad relativa.