Comprender el poder de la actividad del agua

La actividad del agua no es un concepto intuitivo para la mayoría de las personas. Pero una vez que lo entiendes, te da el poder de controlar la humedad en los alimentos. Evitar el crecimiento microbiano es solo el principio.

Obtenga lo esencial sobre las actividades acuáticas condensado en este seminario web de 20 minutos. Aprenderá:

• ¿Qué es la actividad del agua?
• En qué se diferencia del contenido de humedad
• Por qué controla el crecimiento microbiano
• Cómo comprender la actividad del agua puede ayudarle a controlar la humedad en su producto.

Presentador

Mary Galloway ha sido científica principal en el laboratorio de Investigación y Desarrollo de AQUALAB durante ocho años. Se especializa en el uso y la prueba de instrumentos que miden la actividad del agua y su influencia en las propiedades físicas. Ha trabajado con muchos clientes para resolver sus problemas relacionados con la humedad en los productos y, con frecuencia, tiene la oportunidad de responder a la pregunta: «¿Qué es la actividad del agua?».

Actividad del agua 101

¿Cómo consiguen los fabricantes de alimentos mantener la textura tierna de las pasas y el crujiente de los copos de avena, evitar que se apelmacen y formen grumos, o determinar si un producto es susceptible de deteriorarse? Todas estas cuestiones dependen de la actividad del agua. Si se comprende cómo funciona la actividad del agua, se pueden desarrollar productos deseables y predecir y prevenir posibles problemas de almacenamiento.

Actividad del agua definida

Principios de la termodinámica:

• La energía es una fuerza impulsora para que los procesos se produzcan.
• Más energía significa que se pueden realizar más procesos o trabajos (es decir, mecánicos, térmicos, químicos).
• Un estado de alta energía quiere convertirse en un estado de menor energía para ser más estable.

La actividad del agua (aw) es la medida del estado energético del agua en un sistema. Es un principio de la termodinámica y sigue las mismas reglas. Una mayor actividad del agua significa más energía y que el agua puede realizar más trabajo, como el crecimiento microbiano, la migración de la humedad o reacciones químicas y físicas. Las diferencias en la actividad del agua determinarán cómo se mueve la humedad (en términos de energía, no de concentración). El agua con una actividad más alta tiene más energía que el agua con una actividad más baja. ¿Cómo reducirá el agua su estado energético para volverse más estable? Migrará a una actividad más baja.

En los sistemas energéticos, podemos adaptar la ecuación de energía libre de Gibbs (Ecuación 1) para determinar la actividad del agua en un sistema a una temperatura determinada. La energía del agua en un sistema es igual a la energía del agua pura (𝜇o) más la constante de los gases (R) multiplicada por la constante de temperatura (T) y el logaritmo natural de la fugacidad. Tenga en cuenta que la única variable dependiente en esta ecuación para determinar la energía del agua es la fugacidad.

¿Qué es la fugacidad?

La fugacidad (f/f0) es la tendencia de un material a escapar o la cantidad de vapor que puede escapar de una muestra.

• f/f0 = p/p0
• p/p0 = Presión de vapor del agua sobre la muestra a 𝓧 °C / Presión de vapor del agua pura a 𝓧 °C
• p/p0 = aw

La fugacidad se mide mediante presiones parciales, o la presión de vapor del agua sobre una muestra a una temperatura específica, dividida por la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura. Y la presión de vapor relativa (a veces denominada presión de vapor parcial) es exactamente la actividad del agua. Por lo tanto, si determinamos la presión de vapor parcial de una muestra, podemos calcular la actividad del agua.

La figura 1 ilustra qué es la presión de vapor. Hay una muestra de alimento en un recipiente a la izquierda. Las moléculas de agua se escapan de la muestra hacia el espacio superior. Estas moléculas producen una presión específica dentro del recipiente sellado. Esta presión se compara con la presión producida por el agua pura, como se muestra en el recipiente de la derecha. Dado que la actividad del agua es una relación entre dos presiones, no tiene unidades y se mide en una escala de 0 (sin energía) a 1 (la misma energía que el agua pura).

Es importante señalar que es necesario permitir que la presión se equilibre, y que la temperatura y la presión deben ser constantes. La actividad del agua a 25 ℃ será diferente a la actividad del agua a 35 ℃. Por lo general, será más alta. Por lo tanto, si se toma una lectura a 25 ℃ un día y al día siguiente se toma a una temperatura diferente, no serán la misma actividad del agua, ya que la actividad del agua depende de que la temperatura sea constante.

Contenido de humedad definido

Método principal: pérdida por secado (Ecuación 2)

Método principal: Titración (Ecuación 3)

A diferencia de la actividad del agua, que es un estado energético, el contenido de humedad es una medida cualitativa, o una cantidad, de agua. No es una fuerza motriz. Afecta a la textura, pero no es una fuerza motriz para las reacciones o los cambios en un producto. Existen dos métodos principales para medirlo.

Pérdida por desecación: La pérdida por desecación toma el peso húmedo de una muestra y le resta el peso seco, y lo divide por el peso seco para la base seca, o por el peso húmedo para la base húmeda, y luego multiplica ese total por 100 para obtener un porcentaje. Es importante saber qué base se utiliza, ya que cada una da un resultado diferente. Esto se debe a que se divide por pesos diferentes. Desgraciadamente, la base no suele indicarse en la pérdida por desecación. Normalmente solo se indica como porcentaje de contenido de humedad. En METER utilizamos la base húmeda porque la base seca puede dar un contenido de humedad negativo, lo cual no es real. Otro problema de la pérdida por desecación es que, además del agua, otras sustancias, como los alcoholes y otros compuestos volátiles, pueden evaporarse, lo que aumenta el contenido de humedad.

Valoración: (también conocida como Karl Fischer) Se trata de una reacción química en la que se utilizan agua, yodo y algunos disolventes. La reacción continúa hasta que se agota toda el agua, momento en el que cambia la conductividad eléctrica de la solución. Se mide la conductividad y se utiliza para calcular el porcentaje de contenido de humedad. Este método presenta algunos problemas potenciales, uno de ellos es que toda el agua debe estar solubilizada y disponible para reaccionar, lo que puede resultar difícil si el producto no es líquido. Para ello, es necesario saber qué disolvente utilizar, y no existe un disolvente válido para todos los casos. Hay un disolvente principal que funciona con muchos tipos de muestras, pero no es eficaz para todas ellas. Además, pueden producirse reacciones secundarias con los disolventes que pueden afectar a la medición.

Un problema con la medición del contenido de humedad es que no existe un estándar. No hay nada que tenga un contenido de humedad intrínseco de X con el que podamos comparar. Podemos obtener una respuesta para el porcentaje de contenido de humedad, pero no sabemos si es precisa.

Demostración de la actividad del agua

Si comparamos el contenido de humedad de una galleta con el de la miel, es lógico pensar que el contenido de humedad de la miel es mayor. Y así es: la miel tiene un 18 % de humedad, mientras que una galleta tiene un 5 %. Pero estos dos productos tienen la misma actividad del agua (0,60 aw), lo que significa que si sumergieras la galleta en la miel durante una semana, la galleta no se ablandaría. ¿Por qué? Porque la actividad del agua, y no el contenido de humedad, es la fuerza motriz detrás de las reacciones (en este caso, la migración de la humedad). No pasaría nada porque las energías (o actividades del agua) son las mismas.

Aplicaciones para la actividad del agua y el contenido de humedad

Existen aplicaciones tanto para la actividad del agua como para el contenido de humedad (Tabla 2). La actividad del agua es una forma más precisa de predecir y prevenir problemas de almacenamiento, pero hay que tener en cuenta que el contenido de humedad afecta a la textura. Se puede utilizar el contenido de humedad para mejorar la textura, dependiendo del tipo de producto que se desee. También se puede utilizar para determinar las concentraciones de los ingredientes o el contenido nutricional, lo cual es importante para los requisitos de etiquetado. Además, si su producto tiene un límite de contenido de humedad, por ejemplo, el 10 % en el caso de los alimentos para mascotas, debe determinar el contenido de humedad para saber si el producto cumple con la normativa.

Isotermas de sorción de humedad

Cada producto tiene su propia relación única entre la actividad del agua y el contenido de humedad. La figura 2 muestra la relación entre la actividad del agua y el contenido de humedad en los productos que hemos probado. Todos son completamente diferentes y cada gráfico tiene una forma diferente.

La relación entre la actividad del agua y el contenido de humedad se denomina isoterma de sorción de humedad y puede utilizarse para determinar la actividad crítica del agua. Es aquí donde las propiedades de sorción de humedad cambian físicamente y pueden absorber más humedad. La actividad crítica del agua se determina por un cambio en la pendiente de la curva. En la actividad del agua donde cambia la pendiente, el producto cambiará de textura o experimentará otros tipos de reacciones.

Puede determinar el efecto de la formulación comparando diferentes isotermas de una formulación a otra. Por ejemplo, puede modelar la mezcla de ingredientes secos para predecir la actividad del agua cuando se mezclan dos ingredientes nuevos. También puede determinar el efecto del abuso de la temperatura; si un producto se envía y se almacena en un camión o almacén caliente, ¿qué le sucederá al producto cuando llegue al minorista? Puede realizar isotermas a diferentes temperaturas y predecir el efecto. Las isotermas también son esenciales para predecir la vida útil.

Crecimiento microbiano

Los microorganismos necesitan agua para crecer y la obtienen de su entorno. Cuando un organismo está rodeado de una actividad del agua inferior a la de su interior, experimenta estrés osmótico. En la figura 3, la actividad del agua dentro de una célula es de 0,95 aw. Fuera de la célula, la actividad del agua es de 0,90 aw. Dado que una actividad del agua alta tiende a convertirse en una actividad del agua baja, el agua del interior de la célula saldrá al exterior y, cuando lo haga, la célula perderá presión de turgencia. La célula intentará adaptarse cambiando su proceso metabólico para reducir su actividad del agua interna. Si consigue adaptarse al entorno, tendrá suficiente agua o energía para crecer y reproducirse.

Pero, ¿qué pasa si no se adapta al entorno? Otra célula de la figura 3 tiene una actividad del agua de 0,93, pero no se adapta al entorno, que es de 0,90. En este caso, la célula no tiene suficiente energía para crecer y reproducirse, por lo que entrará en estado latente.

La capacidad de un microbio para adaptarse y reducir su actividad hídrica determina cuál es su límite de actividad hídrica. En la década de 1950, el Dr. William James Scott demostró que los microorganismos tienen un nivel de actividad hídrica por debajo del cual no crecen (Tabla 3). Cada microorganismo tiene una actividad hídrica específica que inhibe su crecimiento, y no pueden crecer en un entorno por debajo de ese límite.

La tabla 3 muestra que la salmonela tiene un límite de actividad acuosa de 0,95. Esto significa que si un producto tiene una actividad acuosa de 0,95 y las condiciones son ideales en cuanto a pH, temperatura y nutrientes, y no hay especies competidoras, la salmonela no puede crecer. Si alguna de estas condiciones cambia o no es ideal para el crecimiento microbiano, la actividad hídrica límite podría aumentar. Las bacterias pueden crecer con una actividad hídrica superior a este límite, pero nunca pueden crecer con una actividad hídrica inferior. Y no importa en qué matriz se encuentren las bacterias, ya sea en una galleta, un polvo o un alimento para mascotas, si estas bacterias están presentes, no crecerán por debajo de ese límite.

Tenga en cuenta que la actividad del agua no es un paso de eliminación ni una eliminación de las bacterias. Es un paso de control que impide el crecimiento de microorganismos, lo que significa que el producto es seguro, pero no estéril. Las bacterias siguen estando ahí. Si estos alimentos estuvieran presentes en una actividad del agua superior a su límite, podrían crecer. Eso es un problema potencial, pero si se formula para mantener la actividad del agua lo suficientemente baja, no habrá ningún problema.

La tabla 3 también muestra que las bacterias estafilococos aeróbicas tienen una actividad mínima del agua de 0,86. Eso significa que todo lo que supere 0,86 aw se considera un alimento potencialmente peligroso. Si estas bacterias comienzan a crecer, enferman a las personas, por lo que los alimentos que superan esa actividad del agua se consideran potencialmente peligrosos. Todo lo que esté por debajo de 0,85 aw es un límite en el que eso no puede suceder.

La tabla 4 es un gráfico que muestra todo el rango de actividad del agua para diversos organismos, incluidos mohos y levaduras. También muestra los alimentos típicos que se encuentran en cada rango de actividad del agua. Observe que por encima de 0,85 se encuentran los alimentos potencialmente peligrosos. Los mohos tienen límites de actividad del agua más bajos, pero los mohos que generalmente causan el deterioro se encuentran en 0,7 o por encima. No hay crecimiento de ningún microbio por debajo de 0,6. Puede utilizar esta información para fabricar productos que no sean potencialmente peligrosos ni susceptibles al deterioro por mohos.

La actividad del agua en acción

Prevenir el moho

Un productor secó sus nueces pecanas hasta alcanzar un contenido de humedad del 4 %. No estaba seguro de si un 4 % era lo suficientemente seco como para evitar el crecimiento microbiano, pero históricamente nunca había tenido problemas con esta especificación. Si observara una isoterma de sorción de humedad para determinar la relación entre la actividad del agua y el contenido de humedad, vería que una actividad del agua de 0,68 en sus nueces pecanas se corresponde con un contenido de humedad del 4 %. 0,68 está por debajo del límite microbiano para el crecimiento de moho. Por lo tanto, si su actividad del agua se mantiene en 0,68, un contenido de humedad del 4 % es suficiente para evitar el moho.

Pero el producto del agricultor se enmoheció. ¿Por qué?

Su medición del contenido de humedad solo tenía una precisión del 0,5 %. Cuando las nueces pecanas registraban un 4 %, en realidad estaban más cerca del 4,5 %, lo que significaba que la actividad del agua superaba el límite seguro para el moho. El contenido de humedad no era una especificación de calidad adecuada, ya que las nueces pecanas podían tener entre un 3,5 % y un 4,5 %, y el productor nunca lo sabría.

Si el contenido de humedad de los productores de nueces pecanas fluctúa entre el 3,5 % y el 4,5 %, no solo las nueces pecanas son susceptibles al moho, sino que también podrían generar menos beneficios. Un contenido de humedad más bajo significa una nuez de menor calidad (más dura) y que cabe más nueces en cada bolsa (sobreembalaje). Sin embargo, si hubiera utilizado una especificación de actividad del agua más precisa, podría haber evitado ambos problemas. Podría mantener el contenido de humedad exactamente en el 4 % utilizando una especificación de actividad del agua de 0,68.

Predecir la formación de grumos y aglomeraciones

Un fabricante de sopas deshidratadas procesó una mezcla hasta alcanzar un contenido de humedad del 3 %. Recibió pimienta nueva para añadir a la mezcla, que también tenía un contenido de humedad del 3 %. Sin embargo, cuando mezcló los dos ingredientes, todo el lote se apelmazó. ¿Qué ocurrió? Aunque el contenido de humedad era el mismo, la actividad del agua era diferente.

La mezcla de la sopa tenía una actividad de agua de 0,28 aw, y la actividad de agua del pimiento era de 0,69 aw, lo que superaba la actividad de agua crítica de la sopa. Una actividad de agua más alta siempre tiende a reducirse, por lo que la humedad migró del pimiento a la sopa y provocó que la mezcla se aglutinara. Si el fabricante hubiera medido la actividad del agua antes de añadirla a la sopa, habría podido predecir el apelmazamiento y la formación de grumos, ya que sabía que 0,69 aw estaba por encima del límite crítico para la sopa. Al realizar un seguimiento de la actividad del agua de los ingredientes entrantes, el fabricante podría controlar la calidad de sus proveedores y establecer una especificación de aceptación que estuviera por debajo de la actividad crítica del agua. Podrían utilizar esta información para lograr la consistencia de los ingredientes entrantes.

Formular para el éxito

La actividad del agua también es fundamental para la formulación del producto. Si fabricara un pastelito y generara isotermas para el glaseado, el relleno de crema y el pastel, vería que cada ingrediente tiene una relación diferente entre la actividad del agua y el contenido de humedad. Cada curva tiene una forma diferente (Figura 4).

Con una actividad del agua ligeramente inferior a 0,7 (línea vertical), todos los ingredientes tienen diferentes contenidos de humedad. El glaseado tiene un 5 %, el relleno de crema tiene cerca del 15 % y el bizcocho tiene un 20 %. Cada contenido de humedad proporciona una textura diferente cuando el cliente muerde el pastelito. Se puede formular cada ingrediente con esta actividad acuosa exacta, y cada componente mantendrá su contenido de humedad y textura. Dado que la actividad acuosa de todos los componentes es la misma, la humedad no migrará de un componente a otro.

Reduzca el exceso de embalaje y aumente los beneficios.

Un fabricante de alimentos para mascotas producía con un contenido de humedad del 6,5 % porque nunca había tenido ningún problema de deterioro con esa especificación. Creó una isotermia y descubrió que, con un contenido de humedad del 6,5 %, su producto tenía una actividad del agua de 0,4, muy por debajo de cualquier límite microbiano. Pero, ¿era demasiado baja su especificación de humedad? Dado que los alimentos para mascotas pueden tener un contenido máximo de humedad del 10 %, podría aumentar con seguridad el contenido de humedad y la actividad del agua para aumentar su margen de beneficio y mejorar la textura.

Tras utilizar datos isotérmicos para identificar un límite crítico de actividad del agua y realizar cálculos de vida útil, el fabricante de alimentos para mascotas estableció una nueva especificación de actividad del agua de 0,6, lo que corresponde a un contenido de humedad del 9,5 %. Ambos valores se encontraban dentro de los límites de seguridad y normativos. Al aumentar la actividad del agua y la especificación del contenido de humedad, redujo el coste de las materias primas. Utilizó menos ingredientes para producir la misma cantidad de alimentos para mascotas, sustituyendo esencialmente esos ingredientes por agua. También redujo el consumo de electricidad y calor debido al menor tiempo de permanencia en los hornos. Y el producto era mejor porque el contenido de humedad era mayor. Al comprender la actividad del agua, el fabricante pudo aumentar constantemente los beneficios sin comprometer la calidad ni la seguridad.

Aumentar la estabilidad química/bioquímica.

La actividad del agua puede influir en las velocidades de reacción de diversos tipos de reacciones químicas que se producen en los alimentos y los productos farmacéuticos.

La figura 5 es un gráfico elaborado por el Dr. Ted Labuza que muestra que la mayoría de las velocidades de reacción aumentan cuando la actividad del agua se aproxima a 0,6. El gráfico ilustra dónde crecen las bacterias, las levaduras y los mohos. También muestra dónde aumenta la actividad enzimática. Las reacciones de oscurecimiento alcanzan su punto máximo alrededor de 0,6 y luego disminuyen porque hay más agua en la matriz en ese punto y se diluyen. La oxidación de los lípidos sigue una tendencia inusual, ya que es alta con actividades del agua bajas y vuelve a ser alta con actividades del agua más altas. Curiosamente, es más estable con actividades del agua entre 0,3 y 0,4, lo cual es importante para algunos productos como las patatas fritas, que contienen mucha grasa y aceite.

Por qué necesitas actividad acuática

La actividad del agua es la energía del agua en un sistema. Es cualitativa e inherente al propio producto. Es una fuerza motriz que permite que se produzcan fenómenos como el crecimiento microbiano, la migración de la humedad y los cambios físicos y químicos. El contenido de humedad es simplemente la cantidad de agua. No es una fuerza motriz, por lo que no indica qué va a hacer el agua, solo indica cuánta hay.

La actividad del agua es la especificación adecuada para prevenir el crecimiento microbiano, mantener la estabilidad física y química, formular productos y predecir la vida útil.

Referencias

Labuza, Ted P., K. Acott, S. R. TatiNl, R. Y. Lee, Jv Flink y W. McCall. «Determinación de la actividad del agua: estudio colaborativo de diferentes métodos». Journal of Food Science 41, n.º 4 (1976): 910-917.

Scott, W. J. «Water relations of food spoilage microorganisms» (Relaciones hídricas de los microorganismos que provocan el deterioro de los alimentos). En Advances in food research(Avances en la investigación alimentaria), vol. 7, pp. 83-127. Academic Press, 1957.

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