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Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos 2009-2 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos 2009-2 Água - Estrutura e Propriedades Físico-Químicas.

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1 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Água - Estrutura e Propriedades Físico-Químicas om

2 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos /08/2009UNIDADE II. Estudo da água Definição; 2.2. Propriedades físicas e mudanças de estado da água; 2.3. Estrutura da água e do gelo; 2.4. Interação água-soluto; 2.5. Miscibilidade da água; 2.6. A água nos alimentos; - Água livre; - Água ligada; - Atividade de água (conceito, importância, métodos de determinação); - Isotermas.

3 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Conceito- é a substância que se encontra em maior quantidade no interior da célula. É considerada um solvente universal, atuando como dispersante de inúmeros compostos orgânicos e inorgânicos das células.Origem- quanto à origem, a água do organismo pode ser: Endógena - Aquela proveniente das reações químicas que ocorrem no próprio organismo, com liberação de água. Ex: água liberada durante a síntese de proteínas, polissacarídeos, lipídios e ácidos nucléicos e, ainda, no final da respiração celular.

4 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Exógena - Aquela proveniente da ingestão. Ex: água contida nos alimentos ingeridos. Quantidade- a taxa de água de um organismo varia em função de três fatores básicos: atividade de tecido ou órgão, idade do organismo e Espécie estudada. Atividade : Normalmente, quanto maior a atividade metabólica de um tecido, maior é a taxa de água que nele se encontra.

5 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Órgão Porcentagem de água Encéfalo de embrião 92,0% Músculos 83,0% Pulmões 70,0% Rins 60,8% Ossos 48,2% Dentina 12,0%

6 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Idade: Geralmente, a taxa de água decresce com o aumento da idade. Assim, um feto humano de três meses tem 94% de água e um recém-nascido tem aproximadamente 69%.Espécie: No homem, a água representa 65% do peso do corpo; em certos fungos, 83% do peso é de água; já nas medusas (águas-vivas) encontramos 98% de água.

7 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Os organismos mais "desidratados" são as sementes e os esporos de vegetais (10 a 20% de água). Sabemos, no entanto, que eles estão em estado de vida latente, somente voltando à atividade se a disponibilidade de água aumentar. Nota - 0 teor de água num organismo desenvolvido não pode variar muito, sob pena de acarretar a morte. Calcula-se que nos mamíferos uma desidratação de mais de 10% já é fatal.

8 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Veremos mais tarde que os organismos terrestres, já que estão constantemente sujeitos a perdas de água, desenvolveram mecanismos sofisticados que reduzem essas perdas ao mínimo. Propriedades- a água é muito importante sob o ponto de vista biológico, devido às suas propriedades físico- químicas. Dentre elas, pode-se citar:

9 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Calor específico: muito alto, Atua no equilíbrio da temperatura dentro da célula, impedindo mudanças bruscas de temperatura, que afetam o metabolismo celular. Poder de dissolução: muito grande. É, por isso, considerada o solvente universal. Essa propriedade é muito importante, pois todas as reações químicas celulares ocorrem em solução..

10 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Além disso, a água é importante meio de transporte de substâncias dentro e fora das células. >Tensão superficial: grande. Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o que permite a manutenção da estabilidade coloidal Funções Solvente universal - Atua como dissolvente da maioria das substâncias celulares. É o líquido em que estão dispersas as partículas do colóide celular, que estudaremos mais adiante. É fundamental para as reações químicas que ocorrem no organismo. Ex: participa das reações de hidrólise na matéria viva.

11 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Transporta substâncias dentro ou fora da células. É uma via de excreção, ou seja, arrasta para fora do corpo as substâncias nocivas produzidas pelo indivíduo, assim como as que estão em excesso. Termorregulação: é importante fator de termorregulação dos seres vivos. 0 calor específico da água (ou seja, número de calorias necessárias para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5'C para (15,5'C) é o valor mais alto entre os solventes comuns, ou seja, igual a 1.

12 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Quanto maior o calor específico maior a capacidade de absorver ou liberar calor sem mudar a temperatura. Graças a isso, a água contida nos organismos vivos conserva, praticamente, constante a temperatura de tais organismos em relação ao seu ambiente. Devido a tal propriedade, provavelmente, os oceanos terem sido o meio ideal para a origem da vida e para a evolução das formas mais primitivas de seres vivos.

13 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos A água tem uma estrutura molecular simples. Ela é composta de um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. O oxigênio tem 4 pares de elétrons em torno do átomo de oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes com o hidrogênio e dois pares não-compartilhados no outro lado do átomo de oxigênio. O átomo de oxigênio é mais "eletronegativo" que o átomo de hidrogênio, ou seja, tem mais "afinidade" pelos elétrons.

14 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos A água é uma molécula "polar", A habilidade dos íons e de certas moléculas de se dissolver na água é devida à polaridade. Ex.:

15 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Várias propriedades peculiares da água são devidas às pontes de hidrogênio. Ex.:O gelo flutua as ligações hidrogênio mantêm as moléculas de água mais afastadas no sólido do que no líquido, onde há uma ligação hidrogênio a menos por molécula; Elevado calor de vaporização; Uma forte tensão superficial; Um alto calor específico e Propriedades solventes quase universais.

16 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos O efeito hidrofóbico, ou seja, a exclusão de compostos contendo carbono e hidrogênio (compostos apolares), é outra propriedade da água causada pelas ligações hidrogênio. Obs.: O efeito hidrofóbico é particularmente importante na formação das membranas celulares.

17 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Características Abundância Importância em seres vivos Propriedades comuns cor,odor,sabor,estado físico Propriedades Incomuns Pontos de fusão, ebulição, calor específico Produtos de ionização Solvente Água

18 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Interação entre as moléculas Pontes de hidrogênio Interações eletrostáticas Água

19 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Interação com solutos Carregados; Cristalinos ; Apolares Propriedades Água

20 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Interação com solutos Anfipáticos Propriedades Água

21 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Ionização Constante de equilíbrio Produto iônico da água Água

22 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Autodissociação da água e a escala de pH. O poder solvente da água exerce um papel fundamental nos processos biológicos devido as suas propriedades ácido-base. O grau de dissociação da água em íons hidrogênio (H + ) e hidroxila (OH - ) é determinante das propriedades ácido-base nos sistemas biológicos.

23 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos O comportamento bioquímico de muitos compostos depende de suas propriedades ácido-básicas. Arrhenius. ácido - libera H+ e base – libera - OH - Lowry-Brönsted base - receptor de próton – :NH3 [ (CH3)- >(NH2)- > HO- > NH3 > HS- > F- ] ácido - doador de próton. [CH4 < NH3 < H2O < NH4+ < H2S < HF < HCl ]

24 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Lewis ácido - aceita par de elétrons - espécies com orbitais de valência vazios; base – doador de par de elétrons – espécies com elétrons de valência não ligantes pH suco de limão2,2 – 2,4urina humana4,8 – 8,4 vinho2,8 – 3,8leite de vaca6,3 – 6,6 vinagre3,0saliva humana6,5 – 7,5 suco de tomate3,5água potável6,5 – 8,0 cerveja4 – 5sangue humano7,3 – 7,5 queijo4,8 – 6,4água do mar8,3

25 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Ionização Escala de pH Água

26 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Constantes de dissociação Curvas de titulação Conceito de pK Ionização Água

27 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos TAMPÕES Uma solução tampão é formada por um ácido fraco e sua base conjugada ou vice-versa. HA + A - = Tampão a adição de pequenas quantidades de H + serão neutralizadas por A - e ou de OH - pelo H + do HA, mantendo o pH constante. [A - ]/[HA] = 10 a [A - ]/[HA] = 0,1 o tampão funcionará.

28 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Em termos de pH e pKa temos: pH = pKa + 1 a pH = pKa – 1, é o intervalo denominado faixa tamponamento do par ácido fraco-base conjugada. Para CH 3 COOH, o pKa é 4,74. A faixa tamponante é de 3,74 a 5,74. O poder tamponante vai depender das concentrações do par ácido-base conjugada.

29 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Se tem concentração relativa próxima às variações (adição de H + ou OH - ) que o tampão poderá sofre, este não funcionará. Por tanto, um tampão deverá ter concentrações relativas do par ácido-base conjugada, pelo menos 10 vezes maior que as variações que poderá sofrer. Se a concentração do ácido (doador de prótons) for igual à sua base conjugada, o pH resultante do tampão será igual ao pKa.

30 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos [H + ] = Ka [A - ] base conjugada /[HA] ácido fraco, terá a mesma eficiência de neutralização de ácido ou base. Se a concentração do ácido for maior, o pH do tampão será menor que o pKa e será mais eficiente para neutralização de base. Se a concentração do ácido for menor, o pH do tampão será maior que o pKa e será mais eficiente para neutralização de ácido.

31 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Faixa de tamponamento Tampões Água

32 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Tampões de importância biológica Proteínas Sistema bicarbonato Tampões Água

33 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Atividade de Água vs Umidade Umidade - Valor quantitativo de água em uma amostra em base seca ou base úmida. Depende da quantidade de amostra. Atividade de Água - Medida do estado de energia da água em um sistema (Qualitativo). Não depende da quantidade de material. Atividade de Água fornece informação sobre: Crescimento microbiano; Migração da Água Estabilidade Química e Bioquímica

34 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Propriedades de ligação da água Efeitos coligativos ou interação de solutos Efeito matricial ou interação de superfície Efeitos capilares A combinação destes fatores no alimento reduz a energia de sua água em comparação com a água pura.

35 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Atividade de água - Limite de solubilidade para solutos comuns

36 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Atividade de água de soluções de NaCl a 25°C

37 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos a a limite para crescimento microbiano Leveduras osmóticas ~ 0.60 Levedura ~ 0.88 Bolores ~ 0.70 Bactéria ~ 0.91

38 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Estabilidade química e bioquímica Escurecimento não enzímico Oxidação lipídica Degradação de nutrientes Reações enzímicas a a influencia velocidades de reações: Água atua como: solvente; reagente modifica a mobilidade dos reagentes (viscosidade)

39 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Escurecimento não enzimíco Reações de Maillard: complexa série de reações. Forma componentes heterocíclicos nitrogenados com cor Perda máxima de nitrogênio amino ocorre a a a Perda reduzida a alta e baixa a a

40 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos O excesso de umidade nos grãos representa um dos fatores que resultam na perda do produto, devido à sua associação a outros, como temperatura e o próprio grão, proporcionando substrato ideal à proliferação microbiana. Os macro e micro nutrientes, que compõem os produtos destinados à alimentação humana e animal, dependem da presença de água, que confere textura, disponibilidade orgânica, palatabilidade, estabilidade e maior peso. Entretanto, esta água pode ser o principal fator intrínseco na decomposição do produto.

41 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos A melhor medida da concentração de água, em termos de propriedades físico-químicas, nos produtos, refere-se à medição de sua atividade ( a a), ou seja, medição do teor de água livre no produto. A água pode ocorrer como água ligada e água livre, resultando em conteúdo total de água (umidade). Podendo-se apresentar-se intimamente ligada às moléculas constituintes do produto, não podendo ser removida ou utilizada para qualquer tipo de reação, onde o metabolismo dos microorganismos é paralisado, não havendo desenvolvimento ou reprodução;

42 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos ou pode encontrar-se livre, estando disponível para as reações físicas (evaporação), químicas (escurecimento) e microbiológicas, tornando-se a principal responsável pela deterioração do produto. A velocidade das reações químicas, desejáveis ou não, depende da mobilidade e concentração dos compostos e enzimas envolvidos, que são conferidas pela quantidade de água livre.

43 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos A determinação da atividade de água, permite a inibição da reprodução microbiana, reações enzimáticas, oxidativas e hidrolíticas do produto, assegurando embalagem e condições de armazenamento adequados, valorizando o produto, economicamente. O produto com atividade de água estabelecida pode apresentar maior qualidade e rendimento, melhor preservação e tempo de vida determinado com maior rigor.

44 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos A diferença entre umidade e presença de atividade de água num produto pode ser evidenciada através de uma força motriz, presente no produto, que proporciona o transporte da água livre de um ponto de atividade de água mais intensa, para outro ponto em que a atividade de água seja reduzida, O comportamento microbiano frente à a a é extremamente variável, sendo que as bactérias são mais exigentes, quanto à disponibilidade de água livre, em relação aos fungos e leveduras.

45 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Os substratos com a a inferior a 0,600 estão assegurados quanto à contaminação microbiana. Alimentos com alto teor de lipídeos, que apresentam atividade de água na faixa de 0,300 a 0,400 são mais estáveis à oxidação química e microbiana. A partir de a a 0,650 começa a ocorrer a proliferação de microrganismos específicos, sendo que, até a a 0,750, somente algumas bactérias halofílicas (de desenvolvimento em terrenos salgados), leveduras osmofílicas e fungos xerofílicos (de desenvolvimento em ambientes secos) podem se desenvolver.

46 Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos Professor: Paulo Sérgio Química de Alimentos


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