Examen de los problemas del polvo: Estabilidad física, química y microbiana

Sin embargo, la mayoría de los polvos pueden clasificarse según su estructura molecular: amorfos, cristalinos o una combinación de ambos. La proporción entre cristalino y amorfo y cómo interactúan afectará a casi todas las características del polvo.

Además, el tamaño de las partículas influye significativamente en las características del polvo (y en los problemas habituales asociados a ellas). Siempre que las partículas de polvo entran en contacto unas con otras, puede comenzar la formación de puentes, el primer paso para el apelmazamiento y la aglomeración. Cuanto menor es el tamaño de las partículas, mayor es la probabilidad de que se formen puentes, lo que conduce a la adherencia, la aglomeración y otros problemas. Los polvos cristalinos pueden ser especialmente delicados porque (hasta cierto punto) su estructura ordenada sólo permite que la humedad se adhiera al exterior de la estructura.

La investigación indica que la mezcla de dos polvos cristalinos con diferentes tamaños de partícula puede provocar la delicuescencia de la mezcla (cambio de sólido a líquido) a niveles de actividad del agua inferiores a los que alcanzaría cualquiera de los polvos por separado. 

Los polvos amorfos suelen tener grietas y formas irregulares, lo que facilita que el agua se una a sus partículas.

Contenido de humedad, actividad del agua e isotermas del polvo

Hay dos medidas clave relacionadas con el agua: el contenido de humedad y la actividad del agua. Ambas son importantes si se quiere controlar la estabilidad física, química o microbiana de los polvos. 

La mayoría de los profesionales de la industria alimentaria o farmacéutica están familiarizados con el contenido de humedad. Para algunos, la actividad del agua puede ser un concepto nuevo. El contenido de humedad mide la cantidad de agua. La actividad del agua mide la energía del agua, es decir, qué es capaz de hacer el agua. Estos dos parámetros se miden de formas completamente distintas.

El contenido de humedad se mide en porcentaje de la masa total, es decir, cuánto agua hay en la muestra en relación con su peso. 

Aunque el contenido de humedad es un método popular, no es especialmente preciso. Esto puede dificultar la detección y resolución de problemas. El contenido de humedad por sí solo no puede ofrecer una imagen completa, especialmente en el caso de los polvos.

Para comprobar la actividad del agua, un aparato medirá la presión de vapor. Puede ser útil pensar en la actividad del agua como la humedad equilibrada que libera una muestra.

La actividad hídrica suele definirse erróneamente como "disponibilidad de agua". Esto no es del todo correcto. La actividad del agua es un principio termodinámico: es la energía del agua. Es importante saberlo porque esa energía puede utilizarse en reacciones químicas, cambios de textura y otras reacciones.

Cuando se representa gráficamente la relación entre la actividad del agua y el contenido de humedad, el resultado se denomina isoterma. En las manos adecuadas, una isoterma puede proporcionar una gran cantidad de información valiosa. Entre otras cosas, pueden:

• Revelar los niveles de actividad del agua en los que comienzan los cambios estructurales y de textura (isotermas DDI).
• Muestran el punto en el que un producto empieza a absorber más humedad más rápidamente
• Identificar la estructura molecular (amorfa o cristalina)
• Determinar cuánto tardan o cuánto tardan en producirse determinados cambios o reacciones (isotermas DVS).

Factores clave de la estabilidad física

Para comprender la estabilidad física de los polvos, hay que tener en cuenta tres factores principales: humedad, temperatura y tiempo.

Humedad

La humedad tiene un gran impacto en la estabilidad física. El agua puede ser un disolvente o un reactivo, e incluso puede amortiguar las reacciones químicas. En general, más humedad significa reacciones más rápidas, pero una isoterma puede proporcionar información específica para cada caso.

Temperatura

Los efectos de la temperatura son similares a los del agua: Los cambios se producen más rápidamente cuando aumenta la temperatura (véase la figura anterior). Aumentar la temperatura significa añadir energía al sistema, lo que permite más cambios físicos con niveles de actividad del agua más bajos.

Tiempo

Con el tiempo suficiente, todos los procesos llegan a su fin. Algunos procesos son tan lentos que resultan imperceptibles (por ejemplo, la deformación de los cristales de las ventanas antiguas), pero ocurren aunque se controlen factores como la temperatura y la humedad. 

Estudio de estabilidad física: Apelmazamiento y aglomeración en mezclas de especias

Sabemos que los niveles de actividad del agua impulsan el movimiento de la humedad entre las sustancias. Pero, ¿cuánto se mueve, qué ecuaciones y modelos pueden utilizarse para predecir el movimiento y hasta qué punto es exacta la predicción?

El laboratorio de I+D de METER Food realizó la siguiente investigación sobre seis mezclas de especias diferentes para ilustrar las respuestas a las preguntas anteriores.

Resumen del proceso:

1. Generación de una isoterma para cada ingrediente individual
2. Se mezclan los ingredientes en proporciones de masa conocidas (véase la tabla siguiente)
3. Predicción del nivel final de actividad del agua para cada mezcla utilizando las isotermas, las ecuaciones matemáticas y los coeficientes.
4. Medición del nivel de actividad del agua de cada mezcla de especias tras el equilibrio.
5. Comparación de las predicciones con las mediciones

Hallazgos:

• La predicción del almidón de maíz y la sal de cebolla se aproximó mucho a la actividad del agua medida finalmente.
  • Ambos ingredientes tienen partículas de tamaño fino, lo que suele significar un mayor contacto entre las partículas y un equilibrio más rápido.
• Las predicciones para otras mezclas de especias también fueron muy precisas.
• La predicción menos precisa de la prueba procedía de la mezcla de salvia, comino y orégano. Sin embargo, se aproximó notablemente, con un 0,05 por debajo del nivel de actividad del agua medido finalmente.

El proceso descrito en este estudio de caso puede ser útil para cualquier científico alimentario, sobre todo para los que están bajo presión para formular nuevos productos con rapidez. Los modelos, herramientas y ecuaciones pueden aportar información sobre las características finales de las mezclas de ingredientes secos antes de mezclarlas. 

Crear una biblioteca de isotermas puede llevar tiempo. Pero una vez creadas, los formuladores pueden experimentar con ajustes de recetas, predecir la vida útil final, los niveles de actividad del agua en equilibrio y tomar decisiones de envasado desde su escritorio, sin necesidad de realizar estudios físicos.

Factores clave de la estabilidad química

Los fabricantes deben ser conscientes de cómo la actividad del agua puede afectar a la velocidad de las reacciones químicas, y qué reacciones pondrán fin a la vida útil de sus productos. Sin un buen conocimiento de la estabilidad química, es fácil prometer mayores beneficios de los que realmente ofrece un producto.

Hacer un seguimiento de las velocidades de reacción química puede ser complicado, pero es posible. A menudo es el fabricante quien decide cuándo se han alcanzado los límites de caducidad. Para llegar a ese momento, es necesario disponer de algunos de los datos de predicción de caducidad mencionados en el estudio anterior. 

Estudio de caso de estabilidad química: Degradación de la vitamina C

¿Cómo puede un fabricante de suplementos nutricionales determinar las condiciones ideales de almacenamiento? A qué velocidad se degradará un ingrediente concreto y cuándo dejará de corresponder el producto a lo que se afirma en las etiquetas?  

La investigación que se describe a continuación, realizada por el Laboratorio de I+D de METER Food, puede ayudar a responder a estas preguntas. El estudio se realizó con vitamina C (ácido ascórbico), pero los principios y técnicas se aplican a cualquier sustancia que pueda degradarse o reaccionar con el tiempo.

Durante el estudio, el ácido ascórbico se expuso a dos niveles diferentes de actividad del agua y a tres temperaturas distintas. La degradación se siguió mediante espectroscopia UV-Vis y se calculó la velocidad de degradación. El objetivo era averiguar cómo afectaban la temperatura y la actividad del agua a la velocidad de degradación. 

En primer lugar, el equipo decidió qué temperaturas (30˚, 40˚ y 50˚ C) y qué niveles de actividad del agua (0,76_aw y 0,948_aw) debían alcanzarse. A continuación, determinaron cuándo se consideraría finalizada la vida útil -en este caso, cuando quedara el 75% de la cantidad inicial de vitamina C-. Introdujeron la información necesaria en la herramienta de análisis de humedad y realizaron un estudio de caducidad acelerada, que arrojó los siguientes resultados:

Factores clave de la estabilidad microbiana

La actividad del agua es una forma excelente de limitar el crecimiento microbiano. Con niveles de actividad del agua inferiores a 0,6, no crecerá nada. 

Este hecho da a muchos fabricantes una falsa sensación de seguridad: creen que si su producto tiene un bajo nivel de actividad del agua, la contaminación microbiana no tiene por qué preocuparles. Se trata de una percepción peligrosa que ha provocado muchas retiradas y brotes en alimentos como la mantequilla de cacahuete, la harina y los preparados para bebés. 

La actividad del agua puede impedir el crecimiento microbiano, pero no es un paso mortal. Los microbios con niveles bajos de actividad del agua pueden sobrevivir en estasis. Si se exponen a un entorno con mayor actividad del agua -por ejemplo, mezclando harina con masa de galletas- pueden empezar a proliferar y volverse peligrosos. 

Un producto con baja actividad de agua puede ser seguro, pero no es necesariamente estéril.

Aunque hay muchos obstáculos y precauciones que pueden tomarse para el control microbiano, el tema sigue siendo complicado y desafiante. Se está investigando mucho sobre la esterilización o pasteurización de alimentos de baja humedad. Por ahora, las políticas estrictas de saneamiento son la forma más eficaz de prevenir la contaminación y garantizar la estabilidad microbiana.

Otros recursos

Para profundizar más en la ciencia del polvo, vea el seminario web gratuito a la carta a continuación. En él, el Dr. Zachary Cartwright y Mary Galloway profundizan en el flujo del polvo, el apelmazamiento, la estructura molecular y las isotermas.