ABSTRACT: Recently it has been highlighted the importance of the effect of nano and microstructural characteristics on the chemical, nutritional, physical and biochemical properties of the foods and few studies have evaluated the water-solid interactions, constrained by structural factors, independent of the ionic or polar affinity between water molecules and the matrix of the foodstuff. Therefore, the objective of this thesis was to creating nanostructured materials of alimentary interest and to study the energy and barrier mechanisms involved in the interaction between water molecules and the dehydrated product matrix, and on that basis to postulate indicators of its stability. To carry out the investigation, two powders of sucrose-calcium were compared, one produced by a cryogenic process E-80 (- 80°C) and another one by spray drying (SA) with an inlet/outlet drying air temperature of 170/110°C. Water adsorption isotherms were constructed at 25°C by the gravimetric method (using desiccators with saturated salt solutions) and by using a dynamic method of water adsorption. The surface area of the samples was determined by analysis of the curves X and t. The area of the particles was 417 and 241 m2 / g for E-80 and SA, respectively. The surface fractal dimension (D) was calculated using an area-radius relationship. The D to E-80 was 2.8, while for SA was 2.5. Furthermore the fractal dimension of image texture was determined from the scanning electron micrographs of the surface of the powders in the nanometric scale. The fractal dimensions obtained by both methods showed a similar trend indicating that the cryogenic process modifies the surface at the nanoscale. Isotherms at 15, 25 and 35°C were obtained to calculate the thermodynamic functions of the powder and it was found that the mechanism that controls the largest interval of water adsorption on E-80 was entropic, whereas SA was enthalpy. The adsorption kinetics were determined with a dynamic equipment of sorption whose chamber was kept at relative humidities from 0 to 84.6%.The results showed that differences in surface features on the nanometer scale also affect the kinetic mechanisms of adsorption. In general, the kinetic constants of E80 were 40% higher than those of SA and both are dominated by a resistance caused by the mouth of the nanopores. From the results obtained in this work, three indicators were proposed to estimate, by using adsorption isotherm, the interval of humidities and aw’s which corresponding to the minimum integral entropy. The new indicators and thermodynamic functions calculated at 25 and 35°C were used to study the possibility of using calcium alginate particles as an agent for nanostructuring. The structural and thermodynamic analysis showed that this material is nanoporous and the water adsorption is mainly controlled by entropic mechanism, with an interval of minimum integral entropy between 32 and 48 g water / 100 g dry solids. On the other hand, on the kiwi slices impregnated with calcium alginate particles, it was possible to create an interval of humidity dominated by an entropic mechanism. The results presented in this study are important because they offer new tools for the analysis of the interactions waterdried food and also show how the nanometric features on the surface of the food can affect the nature and structure of adsorbed water which is of great significance in food engineering.
RESUMEN: Recientemente se ha resaltado la importancia del efecto de las características nanométricas y microestructurales sobre las propiedades químicas, nutrimentales, físicas y bioquímicas de los alimentos. Son pocos los estudios que han evaluado las interacciones agua-sólido, restringidas por factores estructurales propias del alimento e independientes de la afinidad iónica o polar entre las moléculas de agua y la matriz del producto alimenticio. Por lo tanto, el objetivo de ésta tesis fue crear materiales nanoestructurados de interés alimentario y estudiar los mecanismos energéticos y de barrera que intervienen en la interacción entre las moléculas de agua y la matriz del producto deshidratado, y con base en ello proponer indicadores de su estabilidad. Para realizar la investigación, se compararon dos polvos de sacarosa-calcio, uno producido por un proceso criogénico E-80 (-80ºC) y otro por un proceso de secado por aspersión (SA), con una temperatura del aire de secado, entrada/salida, de 170/110ºC. Se realizaron isotermas de adsorción de humedad a 25ºC por el método gravimétrico (utilizando desecadores con soluciones saturadas de sal) y utilizando un método dinámico de sorción de agua. El área superficial de las muestras fue determinado mediante el análisis de la gráfica X y curva-t. El área de las partículas fue 417 y 241 m2 /g para E-80 y SA, respectivamente. La dimensión fractal de superficie (D) fue calculada utilizando una relación área-radio de poro. La D para E-80 fue de 2.8, mientras que para SA fue de 2.5. Por otra parte se determinó la dimensión fractal de textura de imagen a partir de las micrografías de superficie de los polvos en la escala nanométrica, tomadas con un microscopio electrónico de barrido. Las dimensiones fractales obtenidas por ambos métodos presentaron una tendencia similar indicando que el proceso criogénico modifica la superficie a escala nanométrica. Isotermas a 15, 25 y 35°C fueron obtenidas para calcular las funciones termodinámicas de los polvos y se encontró que el mecanismo que controla el mayor intervalo de adsorción de agua en E-80 fue entrópico, mientras que para SA fue entálpico. La cinéticas de adsorción fueron determinadas con un equipo dinámico de sorción, cuya cámara fue mantenida a humedades relativas de 0 a 84.6%. Los resultados mostraron que las diferencias en las características nanométricas también afectan los mecanismos cinéticos de adsorción. De forma general, las constantes cinéticas de E-80 fueron 40% más elevadas que las de SA y ambas cinéticas son dominadas por una resistencia provocada por la boca de los nanoporos. A partir de los resultados obtenidos en este trabajo, se propusieron tres indicadores para estimar con una isoterma de adsorción el intervalo de humedades y aw donde se presenta la mínima entropía integral. Con los nuevos indicadores y con funciones termodinámicas calculadas a 25 y 35°C, se analizó la posibilidad de utilizar partículas de alginato de calcio como un agente de nanoestructuración. Los análisis estructurales y termodinámicos mostraron que este material es nanoporoso y que la adsorción de agua es controlada principalmente por el mecanismo entrópico, con una zona de mínima entropía integral entre 32 y 48 g agua/100 g sólidos secos. Por otra parte, al impregnar rebanadas de kiwi con partículas de alginato de calcio, se pudo crear un intervalo de humedad dominada por un mecanismo entrópico. Los resultados presentados en este estudio son relevantes debido a que se proponen nuevas herramientas para el análisis de las interacciones agua-alimento deshidratado y además muestra cómo las características nanométricas en la superficie del alimento pueden afectar la naturaleza y estructura del agua adsorbida, la cual es de gran importancia en la ingeniería de los alimentos.
