L'attività dell'acqua

L'attività dell'acqua negli alimenti

L'attività dell'acqua negli alimenti è uno di quei fattori che può determinare la stabilità, l'instabilità, sicurezza o meno degli stessi proprio perché l'acqua, per le sue funzioni, le sue caratteristiche, la sua forma molecolare, va ad interferire in un numero di funzioni, di reazioni, di attività vere e proprie a carico dell'alimento che potrebbero contribuire ad alterare l'alimento e le sue caratteristiche. La presenza di H₂O è fondamentale, se non ci fosse H₂O in un ambiente, non ci sarebbe vita.

Caratteristiche uniche dell'acqua

Cos'è che ha l'H₂O che le altre molecole non hanno?

• Separazione di carica che crea sulla molecola stessa un dipolo con una carica parziale positiva ed una carica parziale negativa. Ha una natura elettrostatica grazie alla presenza di O che, legata a due atomi di H, maggiormente elettropositivi rispetto all'atomo di ossigeno stesso. Questo permette di creare dei legami idrogeno, ovvero dei legami che permettono di coordinare, in maniera rigida, le molecole di H₂O.
• Ha una disposizione ordinata, cristallina allo stato solido; disposizione randomizzata, casuale allo stato gassoso, ordinata allo stato liquido. Esistono un certo numero di molecole di H₂O che si aggregano tra loro per diminuire l'energia potenziale del sistema e questo fa sì che allo stato liquido ci sia una contrazione del volume occupato dalle molecole di H₂O rispetto al volume occupato dal ghiaccio o dall'H₂O allo stato gassoso.

Questa tabella ci vuole spiegare come, raffrontando con molecole simili, ad esempio l'Idrogeno solforato e il metano, in termini di PM o di legami tra un atomo centrale e gli atomi di H, cambiano notevolmente alcune caratteristiche fisiche: PUNTO DI FUSIONE, molto più alto dell'H₂O, e PUNTO DI EBOLLIZIONE molto più alto. Questo sta a significare che l'attivazione di molecole di acqua allo stato liquido è molto più elevata di quello che riscontriamo per analogia di PM e di struttura molecolare.

Struttura del ghiaccio

Il ghiaccio ha una struttura, una cella cristallina, ben ordinata, talmente da occupare uno spazio superiore a quello del liquido, proprio per ordinare l'energia potenziale che acquista e riesce a superare la forte diminuzione di entropia richiesta per la cristallizzazione dell'acqua in ghiaccio. All'atto della cristallizzazione, non cristallizzerà mai l'acqua pura a 0°C ma deve subire un sottoraffreddamento proprio per sottrarre un quantitativo energetico tale che permette di ridurre la soglia di innalzamento energetico dovuta all'entropia che invece sta diminuendo.

L'energia libera, in qualsiasi processo, è influenzata dall'entalpia e dall'entropia. Perché il processo sia spontaneo, l'entalpia e, soprattutto, l'entropia devono aumentare; e l'entropia aumenta aumentando il disordine del sistema. Invece, passando da un sistema un po' disordinato ad uno ordinato, come la transizione di stato da liquido a solido, l'entropia diminuirà.

Per far diminuire l'entropia bisogna trasmettere del lavoro e di conseguenza dell'energia per un determinato intervallo di tempo. Questa energia, all'atto del congelamento, si evidenzia sotto forma di sottoraffreddamento dell'H₂O: quindi devo sottrarre maggiore calore di quanto serva per far sì che si formino le prime celle cristalline che fungono da nuclei di formazione dei successivi cristalli. Quindi, H₂O se si porta gradualmente a zero gradi, non ghiaccia, rimane liquida o per lo meno rimane tale per un tempo molto lungo in una situazione di metastabilità. Se si porta al di sotto di 0°C l'acqua pura cristallizzerà. Dato che ha sottratto una quantità di calore tale per cui riesco ad operare questa riorganizzazione ordinata delle molecole: cioè faccio abbassare il livello di entropia (operazione importante all'atto di congelamento degli alimenti).

Densità e stato fisico

Lo stato fisico delle molecole si riflette anche sulla densità, parametro da non sottovalutare quando si parla di alimenti. Dobbiamo considerare che a parità di numero di molecole la densità è inversamente proporzionale al volume occupato dalla mia sostanza; di conseguenza, come riportato nella tabella:

Il ghiaccio a 0°C avendo la densità di 0,91 g/cm³ contro una densità vicina all'unità presentata dalle medesime molecole alla stessa temperatura, significa che ci sarà l'11% di aumento di volume quando si andrà a ghiacciare un certo contenuto di H₂O. Ciò non va sottovalutato, soprattutto quando l'alimento deve essere confezionato. Per un motivo anche banale, la confezione deve sopportare un aumento di volume del suo contenuto, tenendo conto che il prodotto congelato è un prodotto solido, quindi, all'atto di scongelamento, uscirà dalla confezione il liquido del mio prodotto e con lui diminuirà la qualità dello stesso.

Notiamo che allo stato liquido subisce una diminuzione della densità.

L'importanza dell'acqua nei processi termici

L'H₂O è importante per gestire in modo corretto un'operazione che richiede un riscaldamento dell'alimento; da considerare soprattutto quando si deve fare un trattamento termico a carico di un liquido a contenuto di acqua elevato.

Diagramma di stato dell'acqua

Il diagramma di stato dell'acqua descrive lo stato che assumono le molecole di H₂O a seconda della variazione di pressione e temperatura (funzioni di stato). Su questo diagramma indichiamo il punto triplo (per secoli lo zero strumentale per la misura della T).

• Linee di equilibrio tra vaporizzazione e condensazione (liquidi-vapori _ vapore-liquido);
• Importante la curva che distingue lo stato solido dallo stato liquido (curva di fusione) = temperatura di fusione quando il campione è alla pressione di 1 atm.

Da notare la pendenza di queste curve che sono particolari rispetto ad altre molecole pure. Altre molecole evidenziano differenze tra solido e liquido: questo è dettato dall'ordine con cui le molecole di H₂O formano il reticolo cristallino del ghiaccio. Abbiamo anche la sublimazione.

Punto triplo e punto critico

• Punto triplo: è il punto in cui si intersecano le tre curve limite di fase (solido, liquido e vapore cristallino simultaneamente all'equilibrio).
• Punto critico: temperatura alla quale la superficie di separazione tra le fasi di liquido e vapore scompare, per effetto del riscaldamento in recipiente chiuso; alla temperatura critica e sopra di essa nel recipiente chiuso vi è un'unica fase: fluido supercritico (simile ad un gas, densa come un liquido ordinario). Il punto critico si trova dove finisce la curva di evaporazione/condensazione. Al di sopra di questo punto critico l'acqua si trova allo "stato super critico", stato che ha applicazione anche in campo alimentare al fine di estrarre determinate sostanze ed amplificando le caratteristiche di solvente che in questo stato "particolare", un po' gas, un po' liquido, l'acqua ma come anche altre molecole assumono diventa un liquido, un fluido che ha una densità, quindi una capacità di solvente molto elevata ma diventa nello stesso tempo un fluido che ha un'elevata capacità bagnante (che entra dappertutto) e che nello stesso tempo scioglie un po' tutto; è una selettività che viene sfruttata.

Funzioni dell'acqua negli alimenti

• È un solvente: discioglie tutta una serie di componenti dell'alimento: sali, vitamine, zuccheri, anche gas come CO₂ che si trasforma in HCO₃ dissociando un protone e dando vita a tutta una serie di equilibri.
• Ha una capacità ionizzante: capacità di scambio protonico (un protone puro non esiste in natura) esiste invece il protone solvato dalle molecole di H₂O (H₃O⁺).
• Influenza consistenza e struttura: tutta l'acqua che si coordina con polimeri di alimenti influenzando la loro consistenza.