Guía completa del fabricante de alimentos sobre la actividad del agua

Para ser un ingrediente barato, el agua puede causar muchos problemas caros:crecimiento microbiano, moho, pérdida de textura, apelmazamiento y apelmazamiento, ranciedad y pérdida de vitaminas. La mejor forma de conocer la presencia de agua en su producto es aprender a medir la actividad del agua.

¿Por qué la actividad acuática?

La utilidad de la actividad del agua como medida de calidad y seguridad se sugirió cuando se hizo evidente que el contenido de humedad no podía explicar adecuadamente las fluctuaciones del crecimiento microbiano. El concepto de actividad del agua_(aw) ha servido al microbiólogo y al tecnólogo alimentario durante décadas. Es el criterio de seguridad y calidad más utilizado.

Actividad acuática: todo es cuestión de energía

¿Qué es la actividad del agua?

Coge un vaso de agua y una esponja seca. Sumerge la esquina de la esponja en el vaso de agua. El agua pasará del vaso a la esponja.

La actividad del agua es la fuerza que hace que el agua se desplace hacia la esponja. Para entenderlo mejor, piensa en qué se diferencia el agua de la esponja del agua del vaso.

El agua del vaso es libre, pero la de la esponja no lo es en absoluto. Está unida por enlaces de hidrógeno, fuerzas capilares y fuerzas de van der Waals-London. Son los llamados efectos matriz. El agua de la esponja tiene un estado energético inferior al del agua del vaso. El agua fluirá hacia la esponja, pero para que vuelva a salir, debemos realizar un trabajo apretando la esponja.

El agua de la esponja tiene una presión de vapor más baja, un punto de congelación más bajo y un punto de ebullición más alto que el agua del vaso. Son diferentes en aspectos que podemos medir y cuantificar.

La energía del agua también puede disminuir diluyéndola con solutos. Son los llamados efectos osmóticos. Dado que se requiere trabajo para devolver el agua a su estado puro y libre, esto también reduce la actividad del agua. El cambio total de energía es la suma de los efectos mátrico y osmótico.

La actividad del agua controla la calidad y seguridad de los alimentos

Combine las galletas con un 20% de contenido de agua y el relleno de queso con un 30%. ¿Una receta para galletas empapadas? No, si los dos ingredientes tienen la misma actividad acuosa. ¿Necesita evitar grumos y apelmazamiento en un lote de especias? Haga coincidir las actividades de agua de los componentes y el problema estará resuelto.

La degradación de las vitaminas depende de la actividad del agua. Lo mismo ocurre con la oxidación de lípidos, la textura crujiente, la masticabilidad, la suavidad y muchos otros factores de calidad. El contenido de humedad le dirá cuánta agua hay en un producto, pero eso es todo. No puede predecir ninguna de estas otras cuestiones de calidad y seguridad.

Predecir la seguridad y la estabilidad

La actividad del agua predice la seguridad y la estabilidad con respecto al crecimiento microbiano, las tasas de reacción química y bioquímica y las propiedades físicas. La figura 1 muestra la estabilidad en términos de límites de crecimiento microbiano y tasas de reacciones degradativas en función de la actividad del agua.

Midiendo y controlando la actividad del agua, es posible:

• Predecir qué microorganismos serán fuentes potenciales de deterioro e infección.
• Mantener la estabilidad química de los productos
• Minimizar las reacciones no enzimáticas de oscurecimiento y las reacciones autocatalíticas espontáneas de oxidación lipídica.
• Prolongar la actividad de enzimas y vitaminas
• Optimizar las propiedades físicas de los productos en cuanto a migración de humedad, textura y vida útil

¿Cómo se mide la actividad del agua?

Si encerramos una muestra en un recipiente sellado, la humedad relativa del aire en el espacio de cabeza se equilibrará con la actividad del agua de la muestra. En equilibrio, ambas serán iguales, y podemos medir la humedad relativa del espacio de cabeza para conocer la actividad del agua de la muestra. Esta es la respuesta más fiable a la pregunta de cómo medir la actividad del agua.

Métodos secundarios: higrómetros, sensores de capacitancia

Al igual que los primeros medidores de la actividad del agua, la mayoría de los instrumentos modernos utilizan sensores higrómetros eléctricos de capacitancia o resistencia para medir la humedad en el espacio de cabeza por encima de la muestra.

Estos medidores utilizan métodos secundarios: relacionan una señal eléctrica con la humedad relativa y deben calibrarse con patrones de sal conocidos.

Con estos sensores, la ERH es igual a la actividad del agua de la muestra sólo mientras las temperaturas de la muestra y del sensor sean iguales. Las mediciones precisas requieren un buen control o medición de la temperatura. Los sensores de capacitancia tienen un diseño sencillo y suelen utilizarse en medidores de actividad del agua relativamente baratos.

El punto de rocío es un método primario

Los mejores métodos que responden a la pregunta de cómo medir la actividad del agua son los métodos primarios que utilizan la relación p _/p0._P0 (la presión de vapor de saturación) sólo depende de la temperatura de la muestra (como se muestra en el gráfico adjunto), por lo que es posible medir _p0 midiendo la temperatura de la muestra. P (la presión de vapor del agua en la muestra) puede medirse midiendo la presión de vapor del agua en el espacio de cabeza sellado por encima de la muestra. La forma más precisa de medir esa presión de vapor, y que se remonta a los primeros principios, es medir el punto de rocío del aire.

Método primario significa medición directa, sin calibración

Las principales ventajas del método del punto de rocío (o punto de rocío de espejo refrigerado) son la rapidez y la precisión. El sensor de punto de rocío de espejo refrigerado es un método de medición primario basado en principios termodinámicos fundamentales. Los medidores de actividad del agua de espejo refrigerado realizan mediciones muy precisas (±0,_003aw), normalmente en unos 5 minutos. Dado que la medición se basa en la determinación de la temperatura, no es necesaria ninguna calibración. Los usuarios deben medir una solución salina estándar para verificar el correcto funcionamiento del instrumento. Para algunas aplicaciones, la rapidez de este método permite a los fabricantes realizar un seguimiento en línea de la actividad del agua de un producto.

El AQUALAB 4TE utiliza el método del punto de rocío con espejo refrigerado, que según la bibliografía es el método de actividad del agua más rápido y preciso del mercado. Vea el vídeo para ver cómo funciona.

La normativa gubernamental recomienda el uso de la actividad acuática

La Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. ha incorporado la actividad del agua a la normativa de seguridad. Estas normativas detallan requisitos y prácticas específicos para garantizar que los productos se elaboran en condiciones sanitarias y son puros, saludables y seguros. Utilice la tabla siguiente como referencia de las normativas de seguridad del gobierno de EE.UU. que recomiendan el uso de la actividad del agua.

La actividad del agua simplifica la vida útil

Sin una fecha de caducidad precisa y específica para cada producto, podría estar desechando productos caducados que aún están en buen estado. O vender productos caducados que en realidad son malos. Podría estar pagando demasiado por un envase que no ayuda a su producto. O renunciando a una vida útil significativa que se conseguiría con un envase mejor. La cuestión es que no se sabe con certeza porque se trabaja a ciegas.

Entonces, ¿por qué no se hacen más pruebas de caducidad?

Normalmente, se debe a que una verdadera prueba de vida útil completa es una tarea de enormes proporciones. Implica complejas relaciones entre humedad, temperatura y modos de fallo del producto.

Hay muchos factores que pueden hacer que su producto no sea seguro o apetecible: moho, crecimiento microbiano, ranciedad, cambios en la textura o el sabor, degradación de vitaminas. La mayoría de las personas carecen de los conocimientos necesarios para realizar pruebas completas de caducidad en sus propias instalaciones, y contratar a un laboratorio externo para que las lleve a cabo resulta caro.

Existe una alternativa científicamente sólida a este tipo de pruebas de vida útil. Es la vida útil simplificada por la actividad del agua. Genera todos los datos que necesita para predecir la vida útil de su producto a partir de un experimento que cualquiera, incluso una pequeña empresa emergente, puede permitirse realizar.v

Caducidad y actividad del agua

¿Cómo simplifica la actividad del agua la vida útil?

1. Elimina las distracciones. Cuando conozcas la actividad del agua de tu producto, sabrás qué modos de fallo son un problema para ese producto.
2. Simplifica la predicción. Puede utilizar su medidor de actividad del agua y otro método de medición (el que elija dependerá de su modo de fallo concreto) para realizar un sencillo experimento interno que predecirá con exactitud su vida útil.
3. Estandariza la producción. Puede establecer una especificación de actividad del agua que le permita alcanzar su vida útil óptima con cada lote.

Sus datos de caducidad pueden proporcionarle información valiosa que le ayude a detener los fallos del producto, predecir y alargar la caducidad, elegir el envasado más rentable y mucho más.

Factores que acaban con la vida útil

Hay tres factores principales que influyen en la vida útil: las propiedades microbianas, los cambios químicos y el deterioro físico. Todos estos factores están relacionados con la actividad del agua.

Crecimiento microbiano

Los microorganismos tienen un nivel límite de actividad del agua por debajo del cual no crecen. La actividad del agua, y no el contenido de humedad, determina el límite inferior de agua "disponible" para el crecimiento microbiano. Dado que las bacterias, las levaduras y los mohos necesitan una cierta cantidad de agua "disponible" para crecer, diseñar un producto por debajo de un nivel crítico de actividad del agua constituye un medio eficaz para controlar el crecimiento.

El agua puede estar presente, incluso en altos niveles de contenido, en un producto, pero si su nivel energético es suficientemente bajo, los microorganismos no pueden eliminar el agua para favorecer su crecimiento. Esta condición "desértica" crea un desequilibrio osmótico entre los microorganismos y el entorno local. En consecuencia, los microorganismos no pueden crecer.

El moho y la proliferación microbiana son las amenazas más peligrosas para la vida útil. Controlar la actividad del agua puede inhibir o impedir la proliferación microbiana, prolongar la vida útil y permitir que algunos productos se almacenen sin refrigeración. Utilizando tablas bien definidas, puede establecer un límite de actividad del agua para su producto y utilizarlo en las pruebas de vida útil.

Degradación química

La actividad del agua influye en las velocidades de las reacciones químicas de deterioro porque el agua actúa como disolvente, puede ser un reactivo en sí misma o puede cambiar la movilidad de los reactivos a través de la viscosidad. Por ejemplo, las reacciones no enzimáticas de oscurecimiento aumentan con el incremento de la actividad del agua hasta un máximo entre 0,6 y 0,7_aw, y la oxidación lipídica se minimiza entre 0,2 y 0,3_aw. La estabilidad química óptima se encuentra generalmente cerca del contenido de humedad de la monocapa, según se determina a partir de las isotermas de sorción de humedad.

Deterioro físico

Los entornos de humedad alta y (con menos frecuencia) baja pueden afectar a la actividad del agua de un producto, provocando cambios indeseables en la textura o las propiedades físicas del producto y acortando su vida útil. Los problemas incluyen la pérdida de textura crujiente en los productos secos, el apelmazamiento y la formación de grumos en los polvos, y la dureza o masticabilidad en los productos húmedos. Encontrar la actividad crítica del agua para su producto puede implicar cierta investigación, pero la actividad del agua lo hace mucho más fácil.

Embalaje, envío y almacenamiento

Los cambios en la actividad del agua durante el transporte y el almacenamiento pueden influir profundamente en la vida útil. La actividad del agua depende de la temperatura, y las temperaturas de transporte y almacenamiento pueden afectar a la actividad del agua dentro del envase. Las pruebas simplificadas de vida útil pueden ayudarle a determinar cuál es el mejor envase y a evaluar el efecto de las condiciones de envío y almacenamiento en la vida útil de su producto.

Las isotermas determinan el punto óptimo de actividad del agua

Predecir los cambios del producto a lo largo del tiempo

Los fabricantes de alimentos necesitan saber cuánto tiempo pasará antes de que sus productos se enmohezcan, se empapen, se pongan rancios, se apelmacen, se cristalicen y resulten inaceptables para el consumidor. La isoterma de sorción de humedad es una poderosa herramienta para predecir y prolongar la vida útil de un producto. Permite:

• Encontrar los valores críticos de actividad del agua en los que se producen cambios como apelmazamiento, aglutinación y pérdida de textura.
• Predecir cómo responderá el producto a los cambios de ingredientes y formulación.
• Calcular con precisión la caducidad
• Crear modelos de mezcla
• Realizar cálculos de envasado
• Encontrar el valor monocapa (donde un producto es más estable)

Isotermas: el Santo Grial de la formulación

Una isoterma de sorción de humedad es un gráfico que muestra cómo cambia la actividad del agua (_aw) a medida que el agua se adsorbe y se desorbe de un producto mantenido a temperatura constante. Esta relación es compleja y única para cada producto. La actividad del agua casi siempre aumenta a medida que aumenta el contenido de humedad, pero la relación no es lineal. De hecho, las isotermas de sorción de humedad tienen forma de S (sigmoidal) para la mayoría de los alimentos y forma de J para los alimentos que contienen materiales cristalinos o alto contenido en grasa.

Método artesanal poco práctico

La forma clásica de crear una isoterma consiste en poner la muestra en un desecador con una solución salina de actividad acuosa conocida hasta que el peso de la muestra deje de cambiar. A continuación, se pesa la muestra para determinar el contenido de agua. Cada muestra produce un punto en la curva de la isoterma.

Como el proceso lleva tanto tiempo, las curvas se construían tradicionalmente utilizando cinco o seis puntos de datos con ecuaciones de ajuste de curvas como GAB o BET.

Una forma más rápida de crear isotermas

Crear isotermas de absorción de humedad a mano es laborioso. El método necesitaba automatización. El método que se utilizó por primera vez -y que aún emplean la mayoría de los instrumentos de sorción de vapor- se denomina DVS, o sorción dinámica de vapor. Se expone una muestra a una corriente de aire con humedad controlada mientras una microbalanza mide los pequeños cambios de peso a medida que el producto adsorbe o desorbe agua. Una vez alcanzado el equilibrio, el instrumento pasa dinámicamente al siguiente nivel de humedad preestablecido. Las pruebas duran entre dos días y varias semanas.

El método DVS funciona bien para investigar la cinética de la sorción, es decir, qué le ocurre a un producto cuando se expone a determinadas humedades y con qué rapidez adsorbe o desorbe agua. Sin embargo, el método DVS no es muy útil para crear una curva isotérmica de alta resolución, ya que cada paso de equilibrio produce sólo un punto en la curva isotérmica.

Las isotermas DDI revelan lo que no se había visto antes

El método de isoterma dinámica del punto de rocío (DDI ) se diseñó para resolver este problema. Crea isotermas de alta resolución que muestran detalles en las curvas de adsorción y desorción tomando una instantánea tanto de la actividad del agua como del contenido de humedad (cada 5 segundos) a medida que la muestra se expone al aire humedecido o desecado. Los gráficos DDI contienen cientos de puntos de datos y muestran detalles que antes no eran visibles, como los puntos críticos en los que se producen apelmazamiento, aglomeración, delicuescencia y pérdida de textura.

Cómo se crean las isotermas

El AQUALAB VSA proporciona automáticamente gráficos de isotermas DDI y DVS rápidos y de alta resolución que cambian la forma de entender su producto. Los modos de prueba duales y el sofisticado software de modelado convierten sus datos en las soluciones que necesita para fabricar, supervisar, almacenar y enviar un producto excelente.

Convierta los datos isotérmicos en soluciones

El VSA incluye un software de modelado intuitivo y completo. El kit de herramientas de análisis de humedad le muestra cómo convertir sus datos en soluciones utilizando modelos predictivos probados en investigación. Encontrará todos los modelos que necesita en un solo lugar, organizados en un programa fácil de usar. Identifique la humedad crítica para la transición vítrea, evalúe el rendimiento de los envases, determine la higroscopicidad, realice un seguimiento de la histéresis, prediga la rotura del revestimiento, encuentre la susceptibilidad al apelmazamiento/aglutinamiento y mucho más.

Las isotermas identifican valores críticos de actividad del agua

A pesar del doble embolsado y de las estrictas directrices sobre temperatura de almacenamiento, un fabricante de leche deshidratada en spray seguía teniendo problemas de apelmazamiento.

Cuando la transición vítrea se convierte en un problema

Cuando la leche se seca por pulverización, la rápida evaporación deja los azúcares en estado vítreo. La lactosa vítrea tiene propiedades totalmente diferentes a las de la lactosa cristalina. Debido a su baja movilidad, las partículas no se apelmazan ni se aglutinan cuando el polvo está en estado vítreo. La estructura cristalina es un estado de menor energía, por lo que siempre habrá algunas moléculas en transición de vítreo a cristalino. Los problemas surgen cuando la velocidad de transición alcanza un punto de inflexión.

La actividad del agua predice la velocidad de transición

A 0,30_aw, la lactosa puede tardar varios años en cristalizarse. A 0,40_aw, puede tardar un mes. Por encima de 0,43, la transición se producirá en pocas horas. Una vez cristalizada la lactosa, la leche en polvo cambia permanentemente. Contiene una cantidad de agua muy diferente, no se disuelve y no sabe bien. En esencia, se ha estropeado.

Las isotermas DDI predicen el punto de transición vítrea

El punto de transición vítrea de polvos como la leche secada por atomización puede determinarse mediante una isoterma DDI de alta resolución. Las isotermas tradicionales se basan en modelos para rellenar la isoterma entre los puntos medidos. Las isotermas DDI miden cientos de puntos y pueden identificar transiciones como el punto de transición vítrea de la leche en polvo secada por atomización.

El valor máximo en el gráfico de la segunda derivada de la isoterma identifica el valor crítico de cambio de fase como 0,43_aw.

Las pruebas rutinarias y precisas en la línea, con mejores valores de control, ayudaron al fabricante a mejorar la tasa de aceptación de envíos.

Crear modelos de mezcla

Un fabricante de pasteles estaba formulando una receta de pastel relleno de crema. Los componentes de la receta eran glaseado (alrededor del 7% de humedad), relleno de nata (12%) y bizcocho (15%). La migración de la humedad durante el periodo de conservación había provocado problemas de textura, como bizcocho rancio, glaseado gomoso y relleno de nata licuado en el bizcocho.

Vea cómo se moverá la humedad entre los componentes

Las isotermas de absorción de humedad para cada ingrediente mostraron que el glaseado -el ingrediente más seco- tenía la actividad de agua más alta, con 0,79. Las actividades de agua de la nata y el bizcocho fueron similares -0,66 y 0,61 respectivamente. Las actividades del agua de la nata y el bizcocho fueron similares: 0,66 y 0,61, respectivamente.

Predecir la actividad del agua del producto final

Transformando las isotermas en diagramas chi se predijo que la actividad del agua del producto final era de 0,67, un valor microbiológicamente seguro para la torta.

Evite sorpresas desagradables

El pastelero horneó y probó con éxito el pastel con una actividad de agua de equilibrio (0,67).

Seleccionar embalaje

Las mezclas de bebidas en polvo en monodosis son un segmento de mercado en crecimiento. El envasado representa más del 50% del coste de las materias primas de este producto. El objetivo principal del envasado es mantener la mezcla de bebidas por debajo de la_aw crítica durante la vida útil prevista del producto.

Los cálculos de envasado comienzan con un valor crítico de actividad del agua. La capacidad de obtener un punto preciso a partir de isotermas dinámicas de punto de rocío (DDI) hace posible este tipo de cálculo de envasado.

Esta curva muestra el punto de transición vítrea de una determinada formulación de bebida:

La actividad crítica del agua -el punto de inflexión exacto- para esta mezcla de bebida es de 0,618 a 25° C.

Calcular la conductancia del envase

Utilizando cálculos de envasado simplificados (disponibles en Fundamentos de isotermas y como herramienta de software), evaluamos cuatro tipos diferentes de envases para esta mezcla para bebidas: su envase original y tres posibles alternativas. En condiciones de abuso de humedad (25° C, 75% de humedad), estos son los resultados:

Comprender los cambios de formulación

Una empresa de alimentos para mascotas cambió la formulación para producir un producto sin conservantes controlado por la actividad del agua. Poco después de introducir el producto, empezaron a ver devoluciones por deterioro.

La evaluación inicial mostró que las predicciones de deterioro se basaban en pruebas de actividad del agua realizadas a una temperatura inusualmente baja -15º C. Las isotermas realizadas a 15º C, 25º C y 40º C mostraron que si se almacenaba en condiciones de abuso (como suele ocurrir con los alimentos para mascotas), era probable que se estropeara.

Las isotermas ofrecían una imagen predictiva completa, lo que permitió al cliente resolver el problema con una nueva formulación.

Investigar los fallos del producto

Después de 13 temporadas sin problemas, un productor de pacanas vio rechazada su cosecha por problemas de moho. Se creó una isoterma para investigar el problema.

Para evitar el crecimiento microbiano, las pacanas deben secarse a 0,60_aw. Como muestra la isoterma, 0,60_{aw corresponde} a 4,8% mc en las pacanas. La isoterma de las pacanas también es bastante plana en esta región crítica de control, por lo que una pequeña variación en el contenido de humedad se traduce en un cambio grande y potencialmente peligroso en la actividad del agua.

La isoterma muestra que las especificaciones eran demasiado bajas

La isoterma completa muestra que el proceso del productor de pacanas no era adecuado para garantizar la seguridad y la calidad de su cosecha. El cultivador de pacanas midió el contenido de humedad por pérdida en el secado. Dado que su especificación de liberación era del 5% y su precisión de ± 0,5%, el contenido real de agua de la cosecha seca podría haber sido de entre el 4,5% y el 5,5%.

Cualquier cosa, desde el almacenamiento en condiciones de alta humedad hasta un envasado inadecuado, podría haber llevado a las pacanas a actividades hídricas poco seguras y haber provocado su deterioro.

Estudios mediante isotermas dinámicas del punto de rocío (DDI)

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Apéndice:

Actividad del agua frente al contenido de humedad

A menudo se piensa que la actividad del agua es una medición más complicada que el contenido de humedad. Pero realizar mediciones precisas y repetibles del contenido de humedad no es tan sencillo como parece.

En teoría, la medición del contenido de humedad es fácil. Basta con determinar la cantidad de agua de un producto y compararla con el peso de todo lo demás que contiene. En realidad, obtener un porcentaje exacto de agua en un producto es un proceso difícil y complejo. He aquí por qué.

Los distintos métodos de notificación causan confusión

El contenido de humedad se indica en base húmeda o seca. Para la base húmeda, la cantidad de agua se divide por el peso total de la muestra (sólidos más humedad). Para la base seca, la cantidad de agua se divide por el peso seco (sólo sólidos). Desgraciadamente, el contenido de humedad suele indicarse sólo como porcentaje, sin ninguna indicación sobre el método utilizado. Aunque es fácil convertir entre base húmeda y seca, se producen confusiones y problemas potenciales cuando se hacen comparaciones entre contenidos de humedad comunicados en bases diferentes. Además, el contenido de humedad notificado en base seca puede dar como resultado un valor porcentual superior al 100%, lo que provoca más confusión.

La diversidad de métodos de medición imposibilita las comparaciones

La AOAC enumera 35 métodos diferentes para medir el contenido de humedad. Se clasifican en métodos de medición directa o indirecta. Los métodos directos consisten en eliminar el agua del producto (por secado, destilación, extracción, etc.) y medir la cantidad de agua mediante pesada o valoración. Los métodos directos proporcionan los resultados más fiables, pero suelen requerir mucho trabajo y tiempo. Algunos ejemplos son la desecación en horno de aire, la desecación en horno de vacío, la liofilización, la destilación, Karl Fischer, el análisis termogravimétrico, la desecación química y la cromatografía de gases.

Los métodos indirectos no eliminan el agua de la muestra. En cambio, implican la medición de alguna propiedad del alimento que cambia a medida que varía el contenido de humedad. Estos métodos requieren la calibración con un método primario o directo. Su precisión está limitada por la precisión del método primario. Los métodos indirectos suelen ser rápidos y requieren poca preparación de la muestra, pero son menos fiables que los métodos de medición directa. Algunos ejemplos de métodos de medición indirectos son la refractometría, la absorción IR, la absorción NIR, la adsorción por microondas, la capacitancia dieléctrica, la conductividad y la absorción ultrasónica.

Para complicar aún más el proceso de medición del contenido de humedad, un método de medición no proporciona necesariamente los mismos resultados que otro, y normalmente el método de medición no se comunica junto con el valor del contenido de humedad.

Ni siquiera los métodos de medición directa proporcionan resultados consistentes. Cualquier método que requiera calentar la muestra (es decir, pérdida por secado) puede provocar la pérdida de volátiles orgánicos o la descomposición de la muestra (especialmente en el caso de muestras que contengan altos niveles de azúcar). Por ejemplo, si hay volátiles orgánicos presentes en una muestra o si la muestra se descompone mientras se seca, un análisis Karl Fischer, que no es susceptible a la pérdida de volátiles o a la descomposición, dará resultados diferentes que un análisis de pérdida por secado.

La variabilidad es difícil de evitar

Una respuesta a estos problemas consiste simplemente en utilizar un método coherente y comparar únicamente valores que se hayan obtenido de la misma manera. Desgraciadamente, la coherencia en el método de medición para el análisis del contenido de humedad sigue sin eliminar todos los problemas. Consideremos, por ejemplo, el secado por pérdida. Este método parece bastante sencillo. Se pesa una muestra y se registra el peso. A continuación, se transfiere la muestra a un horno, se deja secar y se mide el peso en seco. La cantidad de agua se determina restando el peso seco del peso inicial, y el contenido de humedad se calcula como la cantidad de agua dividida por el peso seco o el peso total, según el método de informe.

Incluso este sencillo método de pérdida por secado está minado de posibles trampas de variabilidad. La más fundamental es que el término "seco" no tiene un significado científico real y nunca se ha definido bien. En su lugar, hay que establecer para cada muestra una sequedad arbitraria que sea reproducible. La "sequedad" suele definirse como el punto en el que finaliza la pérdida de peso. Sin embargo, los gráficos termogravimétricos muestran que la pérdida de peso se nivela a diferentes temperaturas para diferentes productos. Además, dependiendo del producto, el tiempo necesario para alcanzar la "sequedad" será diferente, y una temperatura que produce "sequedad" en un producto puede causar descomposición en otro. Esto significa que cada muestra tiene una temperatura de estufa y un tiempo de secado ideales únicos. Esta combinación ideal de tiempo y temperatura está disponible en la bibliografía para algunos productos, pero hay muchos para los que no está disponible. Es difícil saber qué combinación utilizar para productos no probados. Si no se utiliza la misma combinación tiempo/temperatura, no deben compararse los contenidos de humedad resultantes.

Otra complicación es que muchos hornos ajustados a una temperatura pueden variar con el tiempo de esa temperatura hasta 15 °C, y dos hornos ajustados a la misma temperatura pueden variar hasta 40 °C.

Otras fuentes de variación para el método de secado por pérdida son: la presión de vapor del horno, los métodos de preparación de la muestra, el tamaño de las partículas de la muestra, el pesaje de la muestra y el tratamiento posterior al secado. Resulta interesante que, a pesar de los posibles inconvenientes, cuando en la bibliografía se indica un contenido de humedad por secado con pérdida, se acepta inmediatamente como correcto. Además, cuando se realizan comparaciones entre métodos de contenido de humedad y uno de esos métodos es el secado por pérdida, siempre se asume que la medición del secado por pérdida es correcta.

¿Qué es "seco"?

Definir "seco" sería útil para eliminar algunas de las incoherencias asociadas a la medición de la humedad. La mejor manera de definir "seco" sería identificar una actividad de agua de secado al horno. Entonces, el peso seco sería el peso de la muestra cuando ha alcanzado esta actividad de agua seca en el horno. Bajo condiciones ambientales comunes de 25 °C y 30% HR, un horno ajustado a 95 °C crearía una actividad de agua seca en horno de 0,01_aw dentro del horno, asumiendo que la presión de vapor en el horno es la misma que la del aire. Un horno que mantuviera unas condiciones en las que su actividad de agua seca en el horno fuera siempre de 0,01_aw, independientemente de las condiciones ambientales, crearía una condición científicamente "seca". En este tipo de horno, cualquier producto podría declararse seco cuando su peso dejara de variar. Su actividad de agua sería de 0,01_aw, y su peso sería el peso seco. La presión de vapor y la temperatura del horno también podrían ajustarse para evitar la liberación de volátiles, siempre y cuando la actividad del agua en el horno se mantuviera en 0,01_aw. El uso de este método eliminaría la incoherencia que resulta de múltiples métodos de medición y de una definición poco clara de "seco".

Un análisis de humedad más preciso

El contenido de humedad proporciona información valiosa sobre el rendimiento y la cantidad, por lo que es importante desde un punto de vista financiero. También proporciona información sobre la textura, ya que los niveles crecientes de humedad proporcionan movilidad y reducen la temperatura de transición vítrea. Pero obtener valores correctos y coherentes del contenido de humedad puede ser difícil, y una medición del contenido de humedad no puede tomarse al pie de la letra sin información sobre los métodos utilizados para generarla. Otros problemas surgen cuando la cantidad de agua en un producto se utiliza para contar una historia que en realidad no cuenta, relacionada con la consistencia, la calidad o la seguridad microbiana del producto. En estos y otros casos, la actividad del agua es la medida más precisa. Para realizar un análisis completo de la humedad, los fabricantes de productos alimentarios y farmacéuticos deben medir tanto el contenido de agua como la actividad del agua. Además, las isotermas de sorción de humedad pueden utilizarse para determinar con precisión dónde se puede conseguir y mantener una vida útil, textura, seguridad y calidad óptimas.

Una definición científica de la actividad del agua 

La actividad del agua se deriva de los principios fundamentales de la termodinámica y la fisicoquímica. Como principio termodinámico, la definición de la actividad del agua debe cumplir una serie de requisitos. Estos requisitos son: el agua pura (_aw = 1,0) es el estado estándar, el sistema está en equilibrio y la temperatura está definida.

En el estado de equilibrio

μ = _μo +RT ln (_f/fo)

donde: μ (J ^mol-1) es el potencial químico del sistema, es decir, la actividad termodinámica o energía por mol de sustancia; _μo es el potencial químico del material puro a la temperatura T (°K); R es la constante de los gases (8,314 J ^{mol-1 K-1}) ; f es la fugacidad o la tendencia al escape de una sustancia; y_fo es la tendencia al escape del material puro (van den Berg y Bruin, 1981). La actividad de una especie se define como a = _f/fo. Cuando se trata de agua, se designa con un subíndice la sustancia

_aw = _f/fo

_aw es la actividad del agua, o la tendencia al escape del agua en el sistema dividida por la tendencia al escape del agua pura sin radio de curvatura. A efectos prácticos, en la mayoría de las condiciones en las que se encuentran los alimentos, la fugacidad se aproxima mucho a la presión de vapor(f ≈ p), por lo que

_aw = _f/fo ≅ _p/po

El equilibrio se obtiene en un sistema cuando μ es el mismo en todas partes del sistema. El equilibrio entre las fases líquida y vapor implica que μ es la misma en ambas fases. Es este hecho el que permite medir la fase vapor para determinar la actividad del agua de la muestra.

La actividad del agua se define como la relación entre la presión de vapor del agua en un material(p) y la presión de vapor del agua pura(_po) a la misma temperatura. La humedad relativa del aire se define como la relación entre la presión de vapor del aire y su presión de vapor de saturación. Cuando se obtiene el equilibrio de vapor y temperatura, la actividad del agua de la muestra es igual a la humedad relativa del aire que rodea la muestra en una cámara de medición sellada. Multiplicando la actividad del agua por 100 se obtiene la humedad relativa de equilibrio(HRE) en porcentaje.

_aw = _p/po = ERH (%) / 100

La actividad del agua es una medida del estado energético del agua en un sistema. Hay varios factores que controlan la actividad del agua en un sistema:

1. Los efectos coligativos de las especies disueltas (por ejemplo, sal o azúcar) interactúan con el agua mediante enlaces dipolo-dipolo, iónicos y de hidrógeno.
2. Efecto capilar, en el que la presión de vapor del agua por encima de un menisco líquido curvado es menor que la del agua pura debido a cambios en el enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua.
3. Interacciones superficiales, en las que el agua interactúa directamente con grupos químicos de ingredientes no disueltos (por ejemplo, almidones y proteínas) mediante fuerzas dipolo-dipolo, enlaces iónicos (^H3O+ u OH-⁾, fuerzas de van der Waals (enlaces hidrofóbicos) y enlaces de hidrógeno.

La combinación de estos tres factores en un producto alimentario es lo que reduce la energía del agua y, por tanto, la humedad relativa en comparación con el agua pura. Estos factores pueden agruparse en dos grandes categorías: efectos osmóticos y efectos mátricos.

Debido a los distintos grados de interacciones osmóticas y matriciales, la actividad del agua describe el continuo de estados energéticos del agua en un sistema. El agua aparece "ligada" por fuerzas en diversos grados. Se trata de un continuo de estados energéticos y no de una "ligazón" estática. La actividad del agua se define a veces como "agua libre", "agua ligada" o "agua disponible" en un sistema. Aunque estos términos son más fáciles de conceptualizar, no definen adecuadamente todos los aspectos del concepto de actividad del agua.

La actividad del agua depende de la temperatura. La temperatura modifica la actividad del agua debido a cambios en la fijación del agua, la disociación del agua, la solubilidad de los solutos en el agua o el estado de la matriz. Aunque la solubilidad de los solutos puede ser un factor de control, éste suele proceder del estado de la matriz. Dado que el estado de la matriz (estado vítreo frente a estado gomoso) depende de la temperatura, no debería sorprendernos que la temperatura afecte a la actividad del agua del alimento. El efecto de la temperatura en la actividad acuosa de un alimento es específico de cada producto. Algunos productos aumentan la actividad del agua con el aumento de la temperatura, otros la disminuyen_aw con el aumento de la temperatura, mientras que la mayoría de los alimentos con alto contenido en humedad presentan un cambio insignificante con la temperatura. Por lo tanto, no se puede predecir ni siquiera la dirección del cambio de la actividad del agua con la temperatura, ya que depende de cómo afecte la temperatura a los factores que controlan la actividad del agua en el alimento.

Como medida de energía potencial, es una fuerza motriz para el movimiento del agua desde regiones de alta actividad hídrica a regiones de baja actividad hídrica. Ejemplos de esta propiedad dinámica de la actividad del agua son: la migración de humedad en alimentos multidominio (por ejemplo, el sándwich de galleta y queso), el movimiento del agua del suelo a las hojas de las plantas y la presión de turgencia celular. Dado que las células microbianas son altas concentraciones de soluto rodeadas de membranas semipermeables, el efecto osmótico sobre la energía libre del agua es importante para determinar las relaciones hídricas microbianas y, por tanto, sus tasas de crecimiento.

Una potente medida para la GC/CC y la formulación

La actividad del agua es una medida termodinámica de la energía del agua en un producto. ¿Por qué debería su empresa aprender a medir la actividad del agua? Está directamente relacionada con la susceptibilidad microbiana de los productos alimentarios. También tiene relación directa con muchas de las reacciones que acaban con la vida útil de los alimentos. Como se mide en una escala con un patrón conocido, es especialmente adecuada para ser una especificación de seguridad y calidad.