PRÁCTICA N1-Aw-2011

BIOQUÍMICA DE ALIMENTOS ACTIVIDAD DE AGUA

PRÁCTICA N° 1

ACTIVIDAD DE AGUA (Aw) EN LOS ALIMENTOS

I. OBJETIVOS

Afianzar los conceptos de Actividad de Agua (Aw).

Entender la importancia de la evaluación de la Aw como un procedimiento de

amplio uso en el laboratorio para evaluar la conservación de los alimentos.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

Definición: Se entiende como actividad de agua (valor aw), la humedad en equilibrio de

un producto, determinada por la presión parcial del vapor de agua en u superficie. El valor

aw depende de la composición, la temperatura y el contenido en agua del producto. Tiene

incidencia sobre las características de calidad, tales como: textura, sabor, color, gusto,

valor nutricional del producto y su tiempo de conservación.

La actividad del agua (aw) es considerada la propiedad más importante del agua en un

sistema alimenticio. A través de la historia el hombre se ha reconocido la importancia de

controlar el agua en los alimentos, para lo cual ha utilizado el secado, el congelado o la

adición de sales y azúcares con fines de preservación y control de la calidad de los

mismos. Existen dos tipos básicos de análisis de agua. El primero es el contenido de

agua, el cual es una determinación cuantitativa o volumétrica de la cantidad total de agua

presente en un alimento. El segundo tipo mide la actividad del agua e indica la fuerza con

la que el agua está atada, estructural o químicamente, a un alimento. La actividad del

agua es un concepto termodinámico refiriéndose a una condición de equilibrio, describe la

situación de energía del agua o el grado en que está “atada” en un producto alimenticio y,

por lo tanto, su habilidad de actuar como solvente y participar en reacciones químicas y

bioquímicas y en el crecimiento microbiano. Cuando se deshidrata un alimento, por

ejemplo, no sólo se disminuye su contenido de agua sino que se disminuye la

disponibilidad de esta agua. En este caso, disponibilidad se refiere a que, aunque un


alimento posea una cantidad de agua, esta puede no estar disponible para reacciones

bioquímicas o microbiológicas. Una forma de expresar esta disponibilidad es mediante el

término actividad de agua. Por analogía, así como el pH es un término que indica el grado

de acidez de un alimento, la actividad de agua aw, es un término que se emplea para

indicar la disponibilidad del agua. La actividad del agua se representa como la relación

entre la presión de vapor del aire alrededor de un alimento (p) y la presión de vapor del

agua pura (po), ambos permaneciendo a una misma temperatura. De manera práctica,

esto es la humedad relativa del aire en equilibrio con una muestra contenida en una

cámara sellada de medición. Multiplicando la aw por 100 se obtiene la humedad relativa

de equilibrio (ERH) de la atmósfera en equilibrio con el alimento. Estas ecuaciones se

representan así: aw = p/po = %ERH/100, con un máximo valor de 1.0. Cuando se

disuelven otras sustancias en agua pura, el valor de la aw disminuye; lo mismo sucede

cuando a un alimento se le retira parte del agua. Si esta disminución es en un porcentaje

elevado, el alimento adquiere un valor de aw relativamente bajo y se le podrá denominar

alimento de humedad intermedia, o IMF.

Aunque el concepto de actividad del agua sólo se aplica a sistemas en equilibrio, y la

mayoría de productos alimenticios no son sistemas en equilibrio, su aplicación en el

marco de tiempo experimental y de estimación de vida de anaquel es una herramienta útil.

Es útil para relacionar las dinámicas de transferencia de humedad, así como para mapear

las regiones de crecimiento microbiano, cambios físicos y reacciones químicas en un

alimento. La Figura No. 1 representa un mapa general de la estabilidad de los alimentos

en función de la actividad del agua, ilustrando el comportamiento de las distintas

reacciones de deterioro y crecimiento microbiano en los mismos. Se observa que la

habilidad del agua para actuar como solvente, medio o reactante se incrementa al

incrementarse la actividad del agua.

Agua libre versus agua atada

La actividad del agua describe la continuidad de estados de energía del agua en un

sistema. El agua en un producto está “atada” por fuerzas de variada intensidad, lo cual es

muestra de la continuidad de estados de energía más que de una atadura o enlace

estático. La actividad del agua es definida algunas veces como agua “libre” o “disponible”

en un sistema. Sin embargo, aunque estos términos son más fáciles de conceptualizar,

no definen adecuadamente todos los aspectos del concepto de actividad del agua. Los


instrumentos de medición de la aw, por ejemplo, miden la cantidad de agua libre (a veces

llamada agua “activa” o “no atada”) presente en la muestra. Una porción del contenido

total de agua presente en el producto está atada fuertemente a sitios específicos en los

compuestos químicos que conforman el producto, los cuales pueden incluir grupos

hidroxilo o polisacáridos, grupos carbonil y amino de las proteínas y otros sitios polares. El

agua está atada por enlaces de hidrógeno, enlaces ion-dipolo y otros enlaces químicos

fuertes. Algunas porciones de agua están atadas con menos fuerza, pero esta aún no

está disponible (como solvente de compuestos solubles en el alimento). Muchos procesos

de preservación, como la concentración y la deshidratación, buscan eliminar el deterioro

disminuyendo la disponibilidad de agua a los microorganismos. Reduciendo la cantidad de

agua libre (o no atada), también se minimizan otros cambios químicos indeseables que

ocurren durante el almacenaje de los productos. La congelación es otra forma de

preservación ya que el agua en los productos congelados está en forma de cristales de

hielo y por lo tanto no disponible para los microorganismos. Debido a que el agua está

presente en estados libre y atada, en varios grados, los métodos analíticos que intentan

medir el contenido de humedad total en una muestra no siempre coinciden. La actividad

de agua sí da un valor real.

Actividad del Agua y Contenido de Agua

Las células, los tejidos biológicos, y por tanto los productos alimenticios, no son

soluciones homogéneas. La relación entre actividad del agua y contenido de agua es


compleja y, como se indicó anteriormente, son dos conceptos y valores diferentes. Un

incremento en la aw está generalmente acompañado de un incremento en el contenido de

agua, pero no en una forma lineal. La relación entre la aw y el contenido de agua a una

temperatura dada se ilustra gráficamente en las llamadas isotermas de adsorción (Figura

No. 2), las cuales se determinan experimentalmente. Para la mayoría de alimentos, estas

curvas tiene forma sigmoidal, aunque en productos que contienen cantidades grandes de

azúcares o pequeñas moléculas solubles, tienen forma de J. Una isoterma preparada por

adsorción, (empezando desde el estado seco), no tendrá necesariamente la misma forma

que la isoterma preparada por desorción (empezando desde el estado húmedo). Este

fenómeno de valores diferentes de aw contra valores de contenido de humedad por

ambos métodos es llamado histéresis y es exhibido por muchos alimentos.

Formas de manejar la aw

Debido a que hongos, levaduras y bacterias requieren cierta cantidad de agua disponible

para crecer, al igual que muchas reacciones químicas y bioquímicas para ocurrir, su

desarrollo puede limitarse con la reducción de esta agua. Una forma de lograr este

objetivo es a través de los procesos térmicos severos, los cuales usan además las

propiedades letales del calor, mientras que procesos como la deshidratación o la

liofilización trabajan sólo por disminución de la aw. Otro método involucra la atadura del


agua libre por la adición de solutos, usualmente azúcares o cloruro de sodio. Esto crea un

desbalance en la presión osmótica, con lo cual se extrae agua de las células y tejidos. El

desarrollo de productos encuentra nuevos retos para mantener niveles suficientemente

bajos de aw con el uso de los sustitutos de grasa disponibles hoy en día. La grasa, la cual

no contribuye agua libre, es reemplazada con agua o un gel para proveer lubricación.

Estos geles no reducen la aw, por lo que se requieren métodos adicionales de control

para revenir el deterioro. Cuando una sustancia es agregada a un producto para reducir la

aw, el resultado puede ser complicado. Idealmente, la sustancia debe reducir la aw sin

ningún otro efecto como el incremento en la fuerza iónica y/o la disminución de la tensión

superficial, por lo que la adecuada selección de dicha sustancia es muy importante. Por

ejemplo, se puede agregar sal a una mezcla y azúcar a otra, controlando las cantidades

de tal forma que los compuestos resultantes tengan igual valor de actividad del agua. Los

resultados o reacciones pueden ser diferentes, sin embargo, debido a que cada sustancia

tendrá efectos diferentes sobre las reacciones biológicas correspondientes. La aw debe

considerarse un parámetro externo como el pH o la temperatura, y como tal, bajo ciertas

condiciones, podrá ejercer un efecto sinergístico con otros parámetros ambientales.

¿Por qué es importante? Para muchos productos alimenticios la actividad del agua es

una propiedad muy importante. Predice 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 (Ver Figura No. 1). 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

encafecimiento no enzimático y las de oxidación lípida 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.

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

encafecimiento no enzimático, oxidación lípida, degradación de vitaminas, reacciones

enzimáticos, desnaturalización de proteína, gelatinización y retrogradación de almidones.

Productos conteniendo proteínas y carbohidratos son propensos a reacciones de

encafecimiento 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 encafecimiento.

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 las

velocidad de retrogradación de los almidones.

La posibilidad de ocurrencia de encafecimiento no enzimático se incrementa al aumentar

la aw, alcanzando un máximo en el intervalo de aw entre 0.6 y 0.7 (Figura No.1). Por lo

general, incrementos adicionales de aw limitarán las reacciones de encafecimiento. Por

su parte, la oxidación lípida 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 texturales 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.

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, linealidad, 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.


III. MATERIALES

Artículos referentes a Aw y conservación de alimentos

IV. PROCEDIMIENTO

Se formaran grupos de 5 personas, a los cuales se les proporcionará artículos

relacionados con el tema.

Tendrán 1 hora para realizar la lectura.

Pasado este tiempo, saldrán todos los miembros del grupo a exponer las ideas

principales del artículo.

Los demás estudiantes, realizarán preguntas al grupo expositor.


V. CONCLUSIONES

VI. CUESTIONARIO

1. a) Indique valores aproximados porcentuales de la presencia de agua en:

Carnes

Leche

Cereales

Frutas y verduras.

b) Indique valores de actividad acuosa de alimentos de consumo masivo. ¿Qué relación

existe entre estos valores y el contenido de humedad de cada alimento?


2. a) ¿Cómo interactúa el agua con los solutos?

b) ¿Por qué se tarda tanto en fundir hielo?

c) ¿Por qué la velocidad de congelamiento y la descongelamiento son diferentes?

3. ¿Cómo puede modificarse la actividad de agua en un alimento para mejorar su

preservación?

4. ¿Que se entiende por agua libre o congelable y agua ligada o no congelable? ¿De qué

depende su presencia en los alimentos?


5. a) Indique en una isoterma de absorción el significado de cada una de las tres partes

en que usualmente se las divide.

b) Explique cómo varían las isotermas de absorción en función de la temperatura.

c) ¿Qué información brindan las isotermas en relación con la conservación de los

alimentos?

d) ¿Cómo se construye y que significado tiene la curva de histéresis? ¿Por qué las curvas

de absorción y desorción no son coincidentes?

6. ¿Cómo varía la velocidad relativa de las reacciones degradativas de los alimentos en

función de la actividad del agua? Justifique.


PRACTICA N° 2

DETERMINACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA (Aw) DE UN ALIMENTO

I. OBJETIVOS

Determinar el contenido de humedad y la actividad del agua de diferentes

alimentos.

Evaluar la variación de la actividad del agua con el contenido de humedad de un

alimento.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

Los tejidos animales y vegetales contienen agua en diferentes proporciones, distribuida de

una manera compleja y heterogénea. Las proteínas, los carbohidratos y los lípidos

contribuyen a la formación de complejos hidratados de alto peso molecular dentro de

estos tejidos y cuya característica y cuantificación en un alimento es difícil de efectuar.

En general, el contenido de humedad de un alimento es el agua total que contiene, sin

considerar que en la mayoría de los alimentos existen zonas o regiones microscópicas

que, debido a su composición química, no permiten la presencia del agua, lo cual provoca

una distribución heterogénea a través del producto.

El agua no sólo contribuye a las propiedades reológicas y de textura de un alimento, sino

que a través de sus interacciones con los diferentes componentes determinan el tipo de

reacciones químicas que se pueden suscitar en el alimento.

El término actividad de agua, establece el grado de interacción del agua con los demás

constituyentes de los alimentos, y es una medida indirecta del agua disponible para llevar

a cabo las diferentes reacciones a las que están sujetas estas sustancias químicas o para

el desarrollo microbiano. Matemáticamente, se define como:

III. EQUIPOS Y MATERIALES


- Balanza analítica

- Vasos de precipitado de 100 mL

- Matraces aforados de 250 mL

- Pipetas graduadas de 1 – 10 mL

- Fiolas de 100 – 250 Ml

- Sales de referencia, de alta Aw y baja Aw

IV. PROCEDIMIENTO

1. Colocar suficiente cantidad de dos sales de referencia, una con alta y otra con baja

Aw (Cuadro 1.1), en sendos recipientes de 250 mL, con tapa hermética

debidamente rotulados con el nombre de la sal de referencia utilizada y su

correspondiente Aw.

2. Agregar suficiente agua en cada recipiente hasta obtener, conjuntamente con la

sal, una mezcla sobresaturada. Colocar un plato provisto de sobre la mezcla de sal

más agua, para evitar el contacto de la muestra con la sal de referencia.


3. Construir seis ¨portamuestras¨ con papel de aluminio y rotularlos en la forma

adecuada.

4. Pesar exactamente 0,1 – 0,2g (± 0,00001g) del alimento en cada portamuestra.

Introducir tres de las muestras dentro de cada uno de los recipientes con las sales

de referencia escogidas. Taparlos y mantenerlos a temperatura ambiente por un

periodo no menor de 24 horas. Después de ese tiempo, la humedad relativa del

alimento se ha equilibrado con la humedad relativa de las sales de referencia.

5. Pesar de nuevo las muestras y calcular la masa de agua perdida o ganada por

cada una de ellas. Calcular el % /m/m) de agua ganado o perdido por el alimento.

6. Graficar el Aw de las sales de referencia contra el porcentaje de agua ganado o

perdido por la muestra.

7. Trazar una línea recta entre ambos puntos, el intercepto con el eje X es el Aw de

la muestra analizada (figura1.1).

V. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS


MUESTRA GRÁFICA


VI. CONCLUSIONES

VII. RECOMENDACIONES


VIII. CUESTIONARIO

1. Establezca la diferencia entre el contenido de agua de un alimento, su humedad y su

actividad de agua.

2. Mencione y describa instrumentos que se utilizan en la industria para la

determinación de la Aw.

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