Actividad de Agua (aw) en Alimentos

Introducción

En los cursos que he estado impartiendo este año (HACCP Para procesadores de Alimentos, HACCP Avanzado, Controles Preventivos en Alimentos para Consumo Humano, SQF, FSSC 22000, etc.) se ha presentado una duda en común “¿Qué es la actividad de agua?”. Por ello, es que se ha incluido en esta mini-serie sobre microbiología (Es la última parte, espero que la información presentada en estas cuatro entradas les esté siendo útil).

El agua es el constituyente más abundante de los alimentos y en términos de inocuidad alimentaria es el más importante. Su presencia, cantidad y naturaleza determinan muchos procesos químicos y bioquímicos importantes para el control de la calidad e inocuidad de los productos. En muchos estudios HACCP, se refiere frecuentemente al agua como un parámetro intrínseco requerido en la inocuidad del producto y mientras muchos entendemos su importancia, también muchos fallamos con frecuencia en entender el porqué. Una mejor comprensión del agua y en particular la Actividad de Agua (aw), nos puede ayudar a desarrollar planes de inocuidad alimentaria robustos y con soporte científico.

La Estructura Del Agua

La estructura química del agua es H2O. En la naturaleza no existe en esta forma pura absoluta debido a sus propiedades químicas. Una molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno con un enlace covalente a un átomo de oxígeno. La podemos encontrar comúnmente en tres estados: Líquido, sólido y gas.

Molécula de Agua (Imagen tomada de Internet).

Molécula de Agua (Imagen tomada de Internet).

A temperatura y presión estándar el agua es líquida. También carece de sabor y olor. La molécula en sí misma no es lineal, es polar con un movimiento eléctrico dipolar. Es un buen solvente polar y, de hecho, las referencias le mencionan como el solvente universal. Las sustancias hidrófilas se disuelven rápidamente mientras que las hidrofóbicas son inmiscibles. A temperatura y presión estándar el punto de ebullición del agua es 100°C (212 °F). La densidad del agua líquida es 1,000 Kg/m3 (62.43 lb/ft3) a 4°C. El hielo tiene una densidad de 917 Kg/m3 (57.25 lb/ft3).

Agua En Los Alimentos

El agua en los alimentos es un parámetro importante en el campo de la ciencia e inocuidad de los alimentos. Debido a su papel único en varias reacciones químicas y bioquímicas, la comprensión del agua es crucial.

Agua e Inocuidad Alimentaria

Una de las más antiguas formas de conservación de alimentos es el secado. Cuando se inició su aplicación se tenía un pequeño entendimiento acerca de cómo la remoción de humedad de un alimento tenía el efecto de extender su vida de anaquel. La siguiente tabla nos muestra el contenido de agua típico de ciertos productos y categorías.

Porcentaje de Humedad en Alimentos

Porcentaje de Humedad en Algunos Alimentos

Con el paso del tiempo, ha emergido un mejor y sólido entendimiento científico sobre como el agua impacta en la calidad e inocuidad de los alimentos. Ahora sabemos que el contenido de agua es menos importante que el comportamiento específico del agua o la Actividad de Agua. La actividad de agua está relacionada con el contenido de agua en una relación no-lineal la cual es representada utilizando una curva de isoterma de sorción de la humedad.

Actividad de Agua (aw)

Este es el parámetro más importante del agua en términos de inocuidad alimentaria. La actividad del agua o aw es la presión de vapor parcial del agua en una sustancia dividida por la presión de vapor parcial del agua del estado estándar. En el campo de la ciencia de los alimentos, el estado estándar se define con mayor frecuencia como la presión de vapor parcial del agua pura a la misma temperatura. Usando esta definición particular, el agua destilada pura tiene una actividad de agua de exactamente uno.

Para entender esto más completamente, debemos reconocer que gran parte del agua en los alimentos está unida al agua, es decir, está unida a los iones como agua de hidratación, o está unida a las superficies de las moléculas grandes o las estructuras celulares. Esta agua no es libre para soportar el crecimiento microbiano, o participar o apoyar reacciones químicas o enzimáticas y procesos de deterioro.

La cantidad total de agua ligada en un alimento no tiene relación con la estabilidad alimentaria. El agua libre o disponible en un alimento respalda el crecimiento microbiano, y participa y apoya reacciones químicas y enzimáticas y procesos de deterioro. Es esta cantidad de agua libre lo que se llama actividad de agua, aw, y es más importante para la estabilidad alimentaria, química y microbiana, que el contenido total de agua.

Los factores que reducen la movilidad del agua en un alimento también reducen su tendencia a evaporarse y su presión de vapor y esto proporciona un medio para definirlo y medirlo. Por lo tanto, generalmente podemos definir la actividad del agua (aw) como un indicador de la cantidad de agua libre en un alimento.

Específicamente la actividad del agua (aw) es la presión de vapor de equilibrio real del espacio aéreo sobre los alimentos = Presión de vapor de equilibrio de agua pura a la misma temperatura.

De manera alterna, se puede definir también en términos de humedad relativa (RH), siendo entonces Vapor de agua a presión de vapor real en aire x 100 = Presión de vapor de equilibrio de agua pura a la misma temperatura.

Entonces, la Actividad de Agua = Humedad relativa del espacio aéreo sobre el alimento / 100.

Efectos de una Aw reducida en la Inocuidad de los Alimentos

La tasa de ciertos procesos químicos y bioquímicos se efectúa por la cantidad de agua disponible. Uno de los efectos de reducir el aw en un producto alimenticio es reducir la velocidad de estas reacciones. La excepción es la oxidación de las grasas donde la tasa disminuye a 0.4 a 0.5, luego aumenta.

Otro efecto de reacción química es Maillard Browning, que es máximo a 0.6-0.7. La mayoría de las enzimas están inactivadas a <0.85. A menos de 0.75, se inhibe el crecimiento bacteriano, pero pueden crecer algunas levaduras y mohos. A menos de 0.6 todo el crecimiento se inhibe. En términos de nutrientes, la aw reducida reduce las pérdidas de Vitaminas C, E, B1. La siguiente tabla indica el aw de ciertos alimentos.

Actividad de Agua en Alimentos Seleccionados

Actividad de Agua en Alimentos Seleccionados

 En general, las bacterias requieren valores más altos de aw para el crecimiento que los hongos, y las bacterias gram-negativas tienen requisitos más estrictos que los gram-positivos.

Actividad de Agua requerida para la proliferación de algunos grupos de microorganismos

Actividad de Agua requerida para la proliferación de algunos grupos de microorganismos

Actividad de agua requerida para la proliferación de algunos microorganismos seleccionados

Actividad de agua requerida para la proliferación de algunos microorganismos seleccionados

Para reducir aw

La reducción de la aw de un producto alimenticio puede lograrse a través de una serie de métodos. El más obvio es la eliminación parcial de agua en el producto alimenticio usando una variedad de operaciones o procesos unitarios. La concentración de agua también puede reducirse mediante la adición de otras sustancias, incluida la sal y el azúcar. Muchos de estos métodos se han usado mucho antes de que se entendiera el concepto de actividad de agua.

Relación entre actividad de agua y contenido de agua

A menudo hay confusión entre la actividad del agua y las mediciones del contenido de agua. En muchos sectores, el contenido de agua se usa para controlar la cantidad de agua presente en un producto por razones cuantitativas.

Por ejemplo, cuando un producto se vende por contenido neto, controlar su contenido de agua puede ser importante para cumplir con los requisitos legales y comerciales. La actividad del agua es más importante para consideraciones cualitativas tales como la estabilidad del producto, vida útil (Por ejemplo, estabilidad microbiológica y enzimática, retención de aroma), características de manejo, propiedades físicas y estabilidad química.

La actividad del agua y el contenido de agua pueden relacionarse mediante un gráfico llamado isoterma de sorción (Ver diagrama), por lo que, si el usuario tiene la capacidad de medir ambos parámetros, la relación se puede definir y cada parámetro se deriva del otro (Interpolación).

En la práctica, la isoterma de sorción puede ser impráctica de usar porque, no solo la relación entre aw y el contenido de humedad cambia con la temperatura de medición, sino que también cualquier variación en la composición del material tiene un efecto modificador.

Isoterma de Sorción de Humedad (Imagen tomada de Internet).

Isoterma de Sorción de Humedad (Imagen tomada de Internet).

Por lo tanto, la organización debe decidir qué parámetro de medición se adapta mejor a sus productos y procesos. Para fines de control de calidad, los límites de contenido de humedad se convierten fácilmente en límites de actividad de agua mediante pruebas comparativas muy simples. La medición de la actividad del agua ofrece una medición no destructiva y fácil de usar en una amplia gama de configuraciones convenientes para uso en el laboratorio y en el sitio.

Análisis de Contenido de Agua – Método Gravimétrico

El contenido de agua se puede medir en los alimentos usando varios métodos. El más básico de estos son los métodos gravimétricos. Esto implica secar una cantidad conocida del producto alimenticio en un horno hasta que toda la humedad se haya evaporado. Al medir el contenido de materia seca restante, se puede determinar el contenido de agua. Se puede usar un horno de vacío para alimentos sensibles al calor.

Análisis de Contenido de Agua – Titulación Karl Fisher

Un método más sofisticado para el análisis del contenido de agua es la valoración de Karl Fisher. La titulación de Karl Fisher es particularmente adaptable a productos alimenticios que muestran resultados erráticos cuando se calientan o se someten al vacío, por ejemplo, alimentos con poca humedad como frutas y verduras secas, dulces, chocolates, café tostado, aceites y grasas o cualquier comida baja en humedad rica en azúcar o proteína. El método se basa en la reacción fundamental descrita por Bunsen en 1853 que implica la reducción de yodo por SO2 en presencia de agua.

 2H2O + SO2 + I2 → C5H2SO4 + 2HI

Esto se modificó para incluir metanol y piridina en un sistema de cuatro componentes para disolver el yodo y el SO2. Para cada mol de agua, se usan 1 mol de yodo, 1 mol de SO2, 3 moles de piridina y 1 mol de metanol. En la titulación, si una muestra que contiene agua se valora con un reactivo KF, el yodo se consume mientras hay agua en el sistema. Cuando no queda agua, aparece yodo libre y se puede detectar usando dos electrodos de platino inmersos en la solución siendo titulada. A medida que se valora el agua, el voltaje de los electrodos se aproxima a cero. Y donde hay un exceso de yodo (se ha consumido toda el agua) se puede medir una corriente.

Análisis de Actividad de Agua

Se pueden emplear varios métodos para medir la actividad del agua, incluyendo un electrómetro resistivo, una capacitancia o un higrómetro de punto de rocío.

Análisis de Actividad de Agua – Higrómetros electrolíticos resistivos

Los higrómetros electrolíticos resistivos usan un elemento de detección en forma de un electrolito líquido sostenido entre dos varillas de vidrio pequeñas por fuerza capilar. El electrolito cambia la resistencia si absorbe o pierde vapor de agua.

La resistencia es directamente proporcional a la humedad relativa del aire, y también a la actividad de agua de la muestra (una vez que se establece el equilibrio vapor-líquido). Esta relación puede verificarse mediante una verificación o calibración utilizando mezclas de agua salada, que proporcionan una humedad del aire bien definida y reproducible en la cámara de medición.

El sensor no tiene histéresis físicamente determinada, como se lo conoce por higrómetros y sensores de capacitancia, y no requiere una limpieza regular ya que su superficie no es el elemento de detección efectiva.

Los volátiles, en principio, influyen en el rendimiento de la medición, especialmente los que se disocian en el electrolito y, por lo tanto, cambian su resistencia. Tales influencias se pueden evitar fácilmente mediante el uso de filtros de protección química que absorben el compuesto volátil antes de llegar al sensor.

Análisis de Actividad de Agua – Higrómetros de capacitancia

Los higrómetros de capacitancia consisten en dos placas cargadas separadas por un dieléctrico de membrana polimérica. A medida que la membrana adsorbe agua, aumenta su capacidad para mantener la carga y se mide la capacitancia. Este valor es aproximadamente proporcional a la actividad del agua según lo determinado por una calibración específica del sensor. Los higrómetros de capacitancia no se ven afectados por la mayoría de los productos químicos volátiles y pueden ser mucho más pequeños que otros sensores alternativos.

No requieren limpieza, pero son menos precisos que los higrómetros de punto de rocío (+/- 0.015 aw). Deben tener controles de calibración regulares y pueden verse afectados por el agua residual en la membrana del polímero (histéresis).

Análisis de Actividad de Agua – Higrómetros de punto de rocío

La temperatura a la que se forma el rocío en una superficie limpia está directamente relacionada con la presión de vapor del aire. Los higrómetros de punto de rocío funcionan al colocar un espejo sobre una cámara de muestra cerrada. El espejo se enfría hasta que la temperatura del punto de rocío se mide por medio de un sensor óptico. Esta temperatura se usa luego para encontrar la humedad relativa de la cámara usando tablas psicrométricas.

Este método es teóricamente el más preciso (+/- 0.003 aw) y, a menudo, el más rápido. El sensor requiere limpieza si se acumula suciedad en el espejo.

Actividad de Agua como PCC

La actividad del agua se utiliza con frecuencia como un punto de control crítico para los programas de Análisis de peligros y puntos críticos de control (HACCP). Las muestras del producto alimenticio pueden probarse para garantizar que los valores de la actividad del agua se encuentren dentro de un rango especificado para la calidad y seguridad de los alimentos. Las mediciones pueden realizarse en tan solo cinco minutos y se realizan regularmente en la mayoría de las instalaciones de producción de alimentos. En algunos casos, puede ser un requisito legal (Por ejemplo, FDA).

Sin embargo, es importante saber que la disminución de la actividad del agua de un producto alimenticio no es en sí misma un paso letal ya que algunos patógenos pueden sobrevivir.

Cuando se utiliza como CCP o como punto de control específico, debe basarse en la validación completa del producto y el proceso con límites claros.

Referencias

Water Activity (aw) in Foods

FDA

Water Activity Concept and Its Role in Food Preservation

Sandulachi, E.

Water Activity’s Role in Food Safety and Quality

Anthony J. Fontana

Water Activity in the Food Industry

Calright Instruments

Water Activity in Food

Dairy Research & Information Center UC Davis

Water Activity: Why It Is Important For Food Safety

Anthony J. Fontana

Methods to Measure Water Activity

John Troller

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