Actividad de Agua
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INTRODUCCION
El agua es un elemento esencial para la vida en la tierra presente en todos lados, desde los seres
vivos hasta en los alimentos. En estos últimos es su principal componente por lo que es un
factor determinante para su estabilidad, conservación y seguridad siendo el ataque de los
microorganismos la principal causa de deterioro ya que aparición está ligada a la cantidad de
agua que contenga el alimento. Esta cantidad de agua disponible en el alimento se denomina
actividad de agua (Aw).
La actividad de agua tiene un valor entre 0 a 1 y estos valores están relacionados con
la textura de los alimentos ya que a una mayor actividad, la textura es mucho más jugosa y
tierna pero con mayor riesgo de alteración mientras que a menor actividad de agua la textura
del alimento se endurece y el producto se seca más rápido.
Por el contrario, los alimentos cuya actividad de agua es baja por naturaleza son más crujientes
y se rompen con facilidad. En este caso, si la actividad de agua aumenta, se reblandecen y dan
lugar a productos poco atractivos.
ANTECEDENTES:
A través de la historia se ha visto que los seres humanos en un intento por preservar sus
alimentos han intentado controlar el agua presente en estos para lo cual han utilizado diferentes
métodos de preservación como el secado en frutas, vegetales y carnes, la adición de azúcares y
el salado en carnes y pescados.
Hasta aproximadamente 1940, los microbiólogos pensaban que el porcentaje de agua en un
alimento era quien controlaba el crecimiento de los microorganismos. Más tarde se identifico
que el factor que influye en el crecimiento era la actividad (o disponibilidad) del agua.
ACTIVIDAD DEL AGUA
El agua para efectos de simplificación se divide en agua libre y en agua ligada; la primera seria
para el crecimiento de los microorganismos y para intervenir en las transformaciones ya que la
segunda está unida a la superficie solida y no actúa por estar no disponible o inmóvil. Bajo este
sencillo esquema, solo una fracción de agua llamada actividad del agua es capaz de propiciar
cambios y es aquella que tiene movilidad o disponibilidad. Es con base en este valor empírico
que se puede predecir la estabilidad y la vida útil de un producto y con su contenido de agua,
refleja el grado de interacción con los demás constituyentes, además que se relaciona con la
formulación, el control de los procesos de deshidratación y de rehidratación, la migración de la
humedad en el almacenamiento y muchos otros factores.
Si se considera una solución ideal, de las que no existen muchas en alimentos, con solutos en
muy reducida concentración, este término puede expresarse de la siguiente manera:
Aw= ffo
= PPo
=HR100
= MaMa+Ms
Donde:
f = fugacidad del disolvente de la solución
fº = fugacidad del disolvente puro
HR = humedad relativa
P = presión de vapor de agua del alimento
Po = presión de vapor de agua pura
Ms = moles de soluto
Ma = moles de agua
P/Po = presión de vapor relativa
CONTROL DE LA ACTIVIDAD DE AGUA EN ALIMENTOS
Controlar la actividad de agua en los alimentos es sinónimo de alargar su vida útil. Al conseguir
una disminución de la cantidad total de agua libre, se disminuyen notablemente las
probabilidades de contaminación microbiana. No todos los alimentos requieren los mismos
cuidados. La miel no precisa cuidados extras; en cambio, alimentos como el pescado poco
salado o los frutos secos más húmedos (higos) son más perecederos. En este caso, sí es
importante el control de la actividad de agua.
Las dos maneras más importantes de reducir la actividad de agua de los alimentos pasan por el
deshidratado o secado y la incorporación de sal o azúcar para atrapar las moléculas de agua. El
primer método es el más antiguo y consiste en la aplicación de energía al alimento en forma de
calor, aumentando la presión de vapor del agua presente hasta un nivel tal que el agua de la
superficie de los alimentos se evapora. Se puede realizar deshidratación de muchas maneras
diferentes, por secado al sol, en secaderos con aire caliente con bandejas estáticas, con bandejas
en túneles, en cintas transportadoras en túneles, en secaderos spray, en lechos fluidizados, por
liofilización. Además de secar, este primer método también ayuda a formar aromas y sabores
típicos en los alimentos procesados. Según el tipo de alimentos, se utiliza uno u otro mecanismo
de deshidratado: para alimentos sólidos como vegetales, frutas o pescado, se utiliza el secado
con aire caliente; para líquidos como la leche, el secado por aspersión; para mezclas pastosas
líquidas, el secado al vacío; y para una amplia variedad de productos, el secado por congelación.
Otro método consiste en agregar sal o azúcar a los alimentos. Este no requiere máquinas
especializadas, pero sí debe tenerse mucho cuidado durante su procedimiento. Se añade azúcar
en las mermeladas o concentraciones de salmuera en las carnes para disminuir la actividad de
agua. El producto terminado debe evaluarse para determinar en cifras su actividad de agua.
Tabla No.1: Actividad del Agua y Crecimiento de Microorganismos en Alimentos
Rango de aW
Microorganismos generalmente inhibidos por el aW más bajo de este rango
Alimentos generalmente dentro de este rango
1 - 0.95 Pseudomonas, Escherichia,
Proteus, Shigellas, Klebsiella, Bacilos, Clostridium perfringes, algunas levaduras
Productos frescos y enlatados, vegetales, carne, pescado y leche, salchichas cocinadas y pan, alimentos conteniendo aproximadamente hasta 40% (p/p) de sucrosa o 7% de cloruro de sodio
0.95 – 0.91 Salmonella, Vibrio parahaemoliticus, C. botulinum, Lactobacillus, algunos mohos, levaduras (Rhodotorula, Pichia)
lgunos quesos (Cheddar, Suizo, Muenster, Provolone), carnes curadas (jamones), algunos concentrados de fruta, alimentos conteniendo 55% (p/p) de sucrosa o 12% de cloruro de sodio
0.91 – 0.87 Muchas de las levaduras Embutidos fermentados (salami), pasteles
(Candida, Torulopsis, Hansenula), Micrococcus
esponjosos, quesos secos, margarinas, alimentos conteniendo 65% (p/p) de sucrosa saturada o 15% de cloruro de sodio
0.87 – 0.80 La mayoría de los mohos (micotoxigenic penicillia), Staphylococus aureus, la mayoría de los sacaromicetes (bailii) spp., Debariomicetes
La mayoría de los jugos concentrados, leche condensada azucarada, siropes de chocolate, maple y frutas; harina, arroz conteniendo 15-17% de humedad, pasteles de frutas, jamones estilo country, fondants
0.80 – 0.75 Muchas de las bacterias halófilas, aspergilli micotoxigénico.
Jaleas, Mermeladas, masapán, frutas glaceadas, algunos marshmallows
0.75 – 0.65 Mohos Xerófilos (Aspergillus chevalieri, A. candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus
Hojuelas de avena conteniendo aproximadamente 10% de humedad, marshmallows, jaleas, malazas, azúcar morena, algunas frutas secas, nueces
0.65 – 0.60 Levaduras Osmófilas (Sacaromyces rouxii), algunos mohos (Aspergillus echinulatus, Monascus bisporus)
Frutas secas conteniendo del 15 al 20% de humedad, algunos toffes y caramelos, miel
0.50 No existe proliferación microbiana
Pastas conteniendo 12% de humedad aproximadamente, especies conteniendo 10% de humedad aproximadamente
0.40 No existe proliferación microbiana
Huevos deshidratados conteniendo aproximadamente 5% de humedad.
0.30 No existe proliferación microbiana
Galletas, miga de pan, etc, conteniendo del 3 al 5% de humedad
0.20 No existe proliferación microbiana
Leche entera en polvo conteniendo del 2 al 3% de humedad, vegetales deshidratados conteniendo 5% de humedad, hojuelas de maíz (corn flakes), pastel de frutas, galletas.
MEDICIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA
No existe instrumento alguno en el que pueda colocarse directamente un producto para medir su
actividad de agua. Sin embargo, la actividad de agua de un producto puede determinarse a
partir de la humedad relativa del aire alrededor de la muestra cuando el aire y la muestra
alcanzan el equilibrio. Por lo tanto, la muestra debe colocarse en un espacio cerrado, en donde
dicho equilibrio ocurrirá. Cuando esto ocurre, la actividad del agua de la muestra y la humedad
relativa del aire son iguales; la medición realizada en el equilibrio se llama humedad relativa en
equilibrio, o ERH.
Aunque existen métodos a nivel de laboratorio para determinar la actividad del agua,
comercialmente existen principalmente dos tipos de instrumentos para tal propósito. Uno utiliza
la tecnología de espejo enfriado en punto de rocío, mientras que el otro mide la humedad
relativa con sensores que cambian la resistencia eléctrica o capacitancia. Ambos métodos
poseen ventajas y desventajas, varían en exactitud, reproducibilidad, velocidad en la medición,
estabilidad en la calibración, costo y conveniencia de uso. Las principales ventajas del método
de punto de rocío son precisión, velocidad, facilidad de uso y exactitud. Los sensores de
capacitancia tienen la ventaja de ser más económicos, pero no son tan exactos ni rápidos como
los equipos de punto de rocío. Por ejemplo, en el caso del método de punto de rocío,
características típicas de los instrumentos incluyen rangos entre 0.3 y 1.000 aw, resolución de +/-
0.001, exactitud de +/- 0.003 y tiempos de medición por debajo de cinco minutos. Por su parte,
los instrumentos de capacitancia miden todo el rango de actividad del agua (0 a 1.00), con
resoluciones de +/- 0.005, exactitud de +/- 0.015 y tiempos para alcanzar condiciones de
humedad relativa de equilibrio desde cinco hasta 30 o 90 minutos. En los equipos de espejo
enfriado o punto de rocío, durante la medición de aw se determina repetidamente la temperatura
de rocío y la temperatura de la muestra hasta alcanzar equilibrio. Debido a que la determinación
está basada en la medición de temperatura, la calibración no es necesaria, pero sí se requiere la
medición de una solución salina estándar para verificar la operación adecuada de aparato. En el
caso de los instrumentos de sensor de capacitancia, se relaciona una señal eléctrica con la
humedad relativa, lo que exige que el sensor esté calibrado contra estándares salinos conocidos.
La ERH será igual a la aw de la muestra siempre y cuando la temperatura de la muestra y del
sensor sea la misma, por lo que la exactitud de la medición requiere muy buen control de
temperaturas.
Cuando se evalúan las mediciones y los equipos de actividad del agua, precisión y exactitud son
importantes consideraciones a tomar en cuenta. Igualmente importante es considerar la
susceptibilidad del sensor a la contaminación y cuan frecuente es necesario calibrar el aparato.
Además, al comparar instrumentos, es importante evaluar la precisión y la exactitud sobre el
rango completo de valores de aw regularmente encontrados en los productos específicos de
interés.
ACTIVIDAD DE AGUA Y ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOS
Los diversos métodos de conservación se basan en el control de una o más de las variables que
influyen en la estabilidad , es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de
nutrimentos y de reactivos, potencial de oxido – reducción, presión y presencia de
conservadores. En este sentido la aw es de vital importancia y con base a ella se puede conocer
el comportamiento de un producto.
En general mientras más alta sea la aw y más se acerque a 1, que es la del agua pura, mayor será
su inestabilidad, por ejemplo en carnes, frutas y vegetales frescos que requieren refrigeración
por esta causa. Por el contrario alimentos estables a temperatura ambiente (excepto los tratados
térmicamente y comercialmente estériles, como los enlatados), son bajos en aw como sucede
con los de humedad intermedia en los que el crecimiento es retardado.
El contenido de agua por si solo no proporciona información sobre la estabilidad de un alimento
y por eso, productos con la misma humedad, presentan distintas vidas de anaquel, la cual se
predice mejor con el aw.
La influencia de este parámetro se ha demostrado en un gran número de de trabajos de
investigación como perdida de lisina disponible, oscurecimiento no enzimático, degradación de
vitaminas, inactivación del inhibidor de tripsina, destrucción de pigmentos, producción del
aroma de productos cocidos, estabilidad en frutas, pastas y harinas, y en muchos otros productos
y reacciones.
La estabilidad de las vitaminas está influida por la aw de los alimentos de baja humedad, las
hidrosolubles se degradan poco a valores de 0.2 – 0.3, que equivale a la hidratación de la
monocapa, y se ven más afectadas con el aumento de la aw. Por el contrario, en los productos
muy secos no existe agua que actué como filtro del oxigeno y la oxidación se produce
fácilmente.
La aw influye en el oscurecimiento no enzimático, aun cuando cada azúcar tiene un distinto
poder reductor que afecta la velocidad de la reacción. En general, la energía de activación y la
temperatura requeridas se reducen a medida que aumenta la actividad del agua, la velocidad se
acelera de 3 a 6, cuando la aw pasa de 0.35 a 0.65 y hasta tres veces por cada 10ºC de
incremento. Sin embargo cuando se concentran los alimentos se abate la aw, pero también se
concentran los reactivos, lo que favorece la reacción por un mayor contacto; al reducir aun más
el agua, se pierde movilidad de los reactivos y se inhibe la reacción y por eso en alimentos muy
concentrados con azucares, es más factible la caramelizacion que las reacciones de Maillard.
Debido a la influencia del binomio aw - temperatura en el secado es recomendable reducir la
temperatura del aire al final del proceso para prevenir el oscurecimiento.
La oxidación de los aceites y de otras sustancias hidrosolubles, como las vitaminas y varios
pigmentos, está influida por la aw ya que de haber fuerte incremento por debajo de la monocapa,
ocasionando por una falta de agua que proteja del oxigeno a la superficie del alimento, después
disminuye con la humedad por formar dicha capa protectora, para posteriormente aumentar
nuevamente debido a que el agua favorece la movilidad de los metales que catalizan la reacción
para ponerse en contacto con el sustrato.
En las enzimas el agua actúa facilitando la integración con la estructura proteínica, lo que
conlleva a la formación del centro activo, además, también favorece la difusión de los reactivos
e interviene como tal en las reacciones de hidrólisis. Cada enzima requiere un aw para realizar
una función, sin embargo, cuando el sustrato es liquido, como los aceites, las lipasas necesitan
solamente un intervalo muy amplio, mientras que los carbohidratos y proteasas requieren aw
mayores en un intervalo muy amplio (por ejemplo desde 0.4 hasta 0.95).
Para su crecimiento, los microorganismos necesitan condiciones propicias de pH, de
nutrimentos, de oxigeno, de presión, de temperatura y de actividad del agua; como regla
general, esta ultima tendrá que ser mayor a medida que los otros parámetros se vuelvan menos
favorables. Por cada 0.1 unidades de aumento de aw, el crecimiento microbiano puede
incrementarse en un 100%, hasta llegar a un límite. Los que mas agua requieren son las
bacterias (>0.91), después las levaduras (>0.88) y luego los hongos (>0.80); de todos los
patógenos son los que más la necesitan para su desarrollo, situación contraria a las levaduras
osmofilas. Como regla, la aw mínima para la producción de toxinas es mayor que para el
crecimiento microbiano. La reducción de la disponibilidad de agua inhibe dicho crecimiento,
pero a su vez incrementa la resistencia térmica de los microorganismos, lo que indica que para
destruirlos es mejor el calor húmedo que el calor seco. Los microorganismos responden a una
baja humedad, prologando su base inicial, bajando su fase logarítmica y reduciendo el número
de células vivas.
Cuadro: Valores mínimos de la actividad del agua para el crecimiento de microorganismos de importancia en alimentos
Organismo MínimaMayoría de bacterias dañinas 0.91Mayoría de levaduras dañinas 0.88Mayoría de hongos dañinos 0.80Bacteria Halofila 0.75Levadura Osmofila 0.60Salmonella 0.95Clostridium botulinium 0.95Escherichia coli 0.96Staphylococcus aureus 0.86Bacillus subtilis 0.95
IMPORTANCIA DE LA ACTIVIDAD DE AGUA
Para muchos productos alimenticios la actividad del agua es una propiedad muy importante.
Con ella se puede predecir la estabilidad de los alimentos con respecto a sus propiedades
físicas, la velocidad de las reacciones de deterioro y el crecimiento microbiano, influenciando la
vida de anaquel, el color, olor, sabor y consistencia de los mismos . Con la determinación de la
actividad del agua de los alimentos es posible predecir qué microorganismos pueden causar
deterioro y enfermedades, por lo que se considera una importante propiedad desde el punto de
vista de inocuidad alimentaria. El control de la aw es también una forma importante de mantener
la estabilidad química de los alimentos; ejerce un fuerte efecto sobre las reacciones de
oscurecimiento no enzimático y las de oxidación lípido autocatalítica. La actividad del agua
puede además jugar un papel clave en la actividad enzimática y vitamínica en los alimentos, así
como en propiedades físicas como textura y vida en estante de los mismos. Su utilidad e
importancia como medida de la calidad y la inocuidad de los alimentos fue reconocida cuando
resultó obvio que el contenido de humedad no reflejaba exactamente las fluctuaciones en el
crecimiento microbiano. El concepto de aw ha servido al microbiólogo y al tecnólogo en
alimentos durante dos décadas como el criterio de calidad e inocuidad más exacto y utilizado.
Hasta hace recientemente, la aw como parámetro fisicoquímico ha sido discutido principalmente
sólo en dos disciplinas: la fisicoquímica y la microbiología de alimentos. En la primera, mide la
energía libre termodinámica del agua, mientras que en la segunda, la actividad del agua es
utilizada para definir los límites inferiores para el crecimiento de microorganismos en
alimentos. Los microbiólogos se desviaron hacia la medición de actividad del agua al descubrir
que la descomposición microbiana de alimentos ocurre en rangos amplios y variables de
contenido de agua.
Control microbiano: Mientras que la temperatura, el pH y otros factores pueden
afectar el crecimiento de microorganismos en un alimento, la aw puede ser el factor más
importante controlando el deterioro. La actividad del agua, no el contenido de agua,
determina el límite inferior de agua disponible para sostener crecimiento microbiano.
La mayoría de bacterias, por ejemplo, no crecen a actividades de agua por debajo de
0.90, y la mayoría de mohos y levaduras dejan de crecer en valores por debajo de 0.6.
Conociendo la aw de un alimento, es entonces posible predecir el tipo de
microorganismos con potencial de desarrollo y deterioro del producto. La actividad del
agua predice de manera más real y efectiva el crecimiento microbiano porque los
microorganismos pueden usar únicamente el agua “disponible”, la cual difiere
considerablemente dependiendo del soluto presente. En promedio, los iones enlazan la
mayor cantidad de agua, mientras que los polímeros sólo atan cantidades menores; los
azúcares y los péptidos caen en una posición intermedia. A una misma concentración
molecular, la sal reduce la actividad del agua más que el azúcar.
Además de la relación existente entre crecimiento microbiano y actividad del agua, una
serie de aspectos adicionales relativos a la microbiología de alimentos son influenciados
por este parámetro. El efecto de la aw sobre la esporulación, germinación y producción
de micotoxinas es complejo. En el caso de levaduras, por ejemplo, mayores valores se
necesitan para esporulación que para germinación de las esporas. La aw mínima para
producción de toxinas es generalmente mayor que la mínima para crecimiento
microbiano.
Reactividad Química y Bioquímica: Además de influenciar el deterioro microbiano,
la actividad del agua puede jugar un papel significativo sobre la actividad enzimática y
vitamínica en los alimentos, pudiendo tener un impacto fuerte, como se dijo antes, sobre
el color, el sabor, la consistencia y el aroma. El agua puede afectar la reactividad
química de distintas formas: puede actuar como solvente o como reactante, o cambiar la
movilidad de los reactantes al afectar la viscosidad del sistema alimenticio en cuestión.
La actividad del agua afecta una amplia gama de reacciones químicas y bioquímicas,
incluyendo oscurecimiento no enzimático, oxidación de lípidos, degradación de
vitaminas, reacciones enzimáticas, desnaturalización de proteína, gelatinización y
retrogradación de almidones. Productos conteniendo proteínas y carbohidratos son
propensos a reacciones de oscurecimiento no enzimático o de Maillard, las cuales
ocurren con más facilidad en la medida en la que la actividad de agua se incrementa. La
posibilidad de que estas reacciones ocurren es máxima en valores de aw entre 0.6 y 0.7.
En algunos casos, sin embargo, incrementos adicionales en la actividad del aw va a
dificultar la reacción de Maillard. En cualquier caso, para algunos productos, medir y
controlar la aw es una buena forma de evitar o reducir estos problemas de
oscurecimiento.
La estabilidad de enzimas y proteínas está influenciada significativamente por la
actividad del agua debido a la naturaleza relativamente frágil de dichos compuestos. La
mayoría de enzimas y proteínas deben mantener su estructura para permanecer activos,
por lo que el mantenimiento de niveles de aw para prevenir u ocasionar cambios
estructurales es importante para la calidad de un producto alimenticio. La velocidad de
la mayoría de reacciones enzimáticas se reduce a valores de aw por debajo de 0.8,
aunque algunas de estas reacciones ocurren a valores muy bajos de aw. Este tipo de
deterioro puede resultar en formación de sabores y olores muy desagradables, aunque,
en el caso de productos sometidos a tratamientos térmicos, el deterioro enzimático no es
una preocupación. La actividad del agua puede afectar además las temperaturas de
gelatinización y la velocidad de retrogradación de los almidones.
La posibilidad de ocurrencia de oscurecimiento no enzimático se incrementa al
aumentar la aw, alcanzando un máximo en el intervalo de aw entre 0.6 y 0.7. Por lo
general, incrementos adicionales de aw limitarán las reacciones de oscurecimiento. Por
su parte, la oxidación de lípidos presenta un mínimo en valores intermedios de aw y se
incrementa tanto en valores altos como bajos, aunque por mecanismos diferentes. Este
tipo de deterioro alimenticio también resulta en la formación de olores y sabores
desagradables, por lo que se debe evitar. En el caso de vitaminas hidrosolubles
presentes en los alimentos, su degradación se incrementa con la actividad del agua.
Propiedades Físicas: Además de predecir las velocidades de varias reacciones
químicas y enzimáticas, la actividad del agua afecta las propiedades de textura de los
alimentos. Productos con aw altas tienen una textura descrita como húmeda, jugosa,
suave o masticable. Cuando la aw de estos productos disminuye, se mencionan atributos
de textura como duro, seco o pasado. Sin embargo, productos con aw bajas tienen
características de textura descritas como crujiente o tostado, pero cuando los valores se
incrementan, los productos se tornan aguados, suaves. En el caso de polvos o
granulaciones, la actividad del agua afecta sus propiedades de fluidez y
apelmazamiento. La actividad del agua es un parámetro importante controlando la
migración de humedad en productos multicomponentes. Estos productos pueden
contener componentes con distintos niveles de aw, como un pastelito relleno de crema o
cereales con frutas secas. Aunque las velocidades de migración dependen de diversos
factores, la humedad migrará de las regiones de alta humedad a las regiones de menor
humedad, ocasionando cambios indeseables en la textura del producto y sus
componentes. Por ejemplo, en el caso del cereal, la migración de humedad de la fruta
seca hacia el cereal, causará que la fruta se endurezca y el cereal se suavice y pierda su
crujir.
BIBLIOGRAFIA
Salvador Badui Dergal, Química de los alimentos – Cuarta edición, Pearson educación
James M. Jay, Microbiología moderna de los alimentos – Editorial Acribia