Webinar sobre la actividad relacionada con el agua
Actividad acuática 101: Dominar lo básico
Un buen conocimiento de la actividad del agua le permite mejorar muchos aspectos de su producto, su envase y su fabricación. Empecemos por lo básico.
Comprender el poder de la actividad del agua
La actividad del agua no es un concepto intuitivo para la mayoría de la gente. Pero una vez que se entiende, puede darnos el poder de controlar la humedad de los alimentos. Evitar la proliferación microbiana es sólo el principio.
Obtenga lo esencial de la actividad acuática 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 entender la actividad del agua puede ayudarle a controlar la humedad de su producto.
Presentador
Mary Galloway lleva ocho años trabajando como científica principal en el laboratorio de Investigación y Desarrollo de AQUALAB. Está especializada en el uso y ensayo de instrumentos que miden la actividad del agua y su influencia en las propiedades físicas. Ella ha trabajado con muchos clientes para resolver sus problemas de productos relacionados con la humedad y con frecuencia tiene la oportunidad de responder a la pregunta: "¿Qué es la actividad del agua?"
Actividad acuática 101
¿Cómo mantienen los fabricantes de alimentos la textura de una pasa tierna y un copo de marca crujiente, evitan el apelmazamiento y los grumos o determinan si un producto es susceptible de estropearse? Todas estas cuestiones están controladas por la actividad del agua. Si entiende cómo funciona la actividad del agua, podrá desarrollar productos deseables y predecir y prevenir posibles problemas de almacenamiento.
Definición de la actividad del agua
Principios de termodinámica:
- La energía es la fuerza motriz de los procesos
- Más energía significa que se pueden realizar más procesos o trabajos (mecánicos, térmicos, químicos, etc.).
- Un estado de alta energía quiere convertirse a 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 crecimiento microbiano, migración de humedad o reacciones químicas y físicas. Las diferencias en la actividad del agua dictarán cómo se mueve la humedad (en términos de energía, no de concentración). El agua con mayor actividad tiene más energía que el agua con menor actividad. ¿Cómo reducirá el agua su estado energético para ser más estable? Migrará a una actividad del agua más baja.
En los sistemas energéticos, podemos adaptar la ecuación de la energía libre de Gibbs (ecuación 1) para determinar la actividad del agua en un sistema a una temperatura dada. 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. Nótese que la única variable que depende en esta ecuación para determinar la energía del agua es la fugacidad.
¿Qué es la fugacidad?
La fugacidad (f/f0) es la tendencia al escape de un material o el 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 por 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 relativa de vapor (a veces llamada presión parcial de vapor) es exactamente la actividad del agua. Por tanto, si determinamos la presión parcial de vapor de una muestra, podemos calcular la actividad del agua.
La figura 1 ilustra qué es la presión de vapor. A la izquierda hay una muestra de alimento en un recipiente. Las moléculas de agua escapan de la muestra al espacio de cabeza. Estas moléculas producen una presión específica dentro del recipiente sellado. Esta presión se compara con la presión producida por el agua pura, como se demuestra 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 dejar que la presión se equilibre, y la temperatura y la presión deben ser constantes. La actividad del agua a 25 ℃ será diferente de la actividad del agua 35 ℃. Por lo general, será mayor. Así que si usted toma una lectura a 25 ℃ un día, y al día siguiente la toma a una temperatura diferente, no serán la misma actividad del agua porque la actividad del agua depende de que la temperatura sea constante.
Contenido de humedad definido
Método primario: secado por pérdida (ecuación 2)
Método principal: Valoración (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 impulsora de reacciones o cambios en un producto. Existen dos métodos principales para medirlo.
Pérdida por secado: La pérdida por secado toma el peso húmedo de una muestra, 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, a continuación, multiplica ese total por 100 para obtener un porcentaje. Es importante saber qué base se utiliza porque cada una da una respuesta diferente. Esto se debe a que se está dividiendo por pesos diferentes. Desgraciadamente, la base no suele indicarse en el secado a pérdida. Normalmente sólo 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 que no es real. Otro problema del secado a pérdida es que pueden evaporarse sustancias distintas del agua, como alcoholes y otros volátiles, lo que aumenta el contenido de humedad.
Valoración: (también conocida como Karl Fischer) Se trata de una reacción química que utiliza agua, yodo y algunos disolventes. La reacción continúa hasta que se agota el agua, momento en el que cambia la conductividad eléctrica de la solución. La conductividad se mide y se utiliza para calcular el porcentaje de humedad. Este método puede plantear problemas, como que toda el agua debe estar solubilizada y disponible para reaccionar, lo que puede resultar difícil si el producto no es líquido. Hay que saber qué disolvente utilizar para poder hacerlo, y no hay un disolvente único. Hay un disolvente principal que funciona con muchos tipos de muestras, pero no será eficaz para todas las muestras. Además, pueden producirse reacciones secundarias con los disolventes que pueden afectar a la medición.
Uno de los problemas de la medición del contenido de humedad es que no existe una norma. No hay nada que tenga un contenido intrínseco de humedad X con el que podamos comparar. Podemos obtener una respuesta para el porcentaje de contenido de humedad, pero no sabemos si es exacta.
| Actividad acuática | Contenido de humedad |
|---|---|
| Energía | Importe |
| Cualitativo | Cuantitativo |
| Fuerza motriz | No es una fuerza motriz |
| Patrones conocidos (soluciones salinas) | Medición empírica sin patrón |
| Debe definir la base húmeda o la base seca (LOD) |
Demostración de actividades acuáticas
Si comparamos el contenido de humedad de una galleta con el de la miel, es de esperar que el de la miel sea mayor. Esto es cierto: la miel tiene un 18% de MC, y una galleta un 5%. Pero estos dos productos tienen la misma actividad de agua (0,60aw), lo que significa que si sumergiera la galleta en la miel durante una semana, la galleta no se reblandecería. ¿Por qué? Porque la actividad del agua, y no el contenido de humedad, es la fuerza motriz 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 los problemas de almacenamiento, pero tenga en cuenta que el contenido de humedad afecta a la textura. Puede utilizar el contenido de humedad para mejorar la textura, dependiendo del tipo de producto que desee. También puede utilizarse para determinar las concentraciones de ingredientes o el contenido nutricional, lo que es importante para los requisitos de etiquetado. Y, si su producto tiene un límite de contenido de humedad, por ejemplo la comida para mascotas al 10%, debe determinar el contenido de humedad para saber si el producto cumple los requisitos.
| Actividad acuática | Contenido en humedad |
|---|---|
| Controlar el crecimiento microbiano | Ajustar la textura a una actividad del agua determinada |
| Controlar la migración de humedad | Determinar las concentraciones de ingredientes |
| Evita la formación de grumos | Determinar el contenido nutricional |
| Formular productos rentables | Requisitos de etiquetado |
| Controlar la velocidad de las reacciones químicas | |
| Modelo de mezcla de ingredientes secos | |
| Predecir los efectos del abuso de temperatura | |
| Conseguir una textura óptima | |
| Realizar pruebas de caducidad | |
| Predecir las necesidades de envasado |
Isotermas de absorción de humedad
Cada producto tiene su propia relación 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 distinta.
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. Este es el punto en el que 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 en la que cambia la pendiente, el producto cambiará de textura o experimentará otro tipo de reacciones.
Puede determinar el efecto de la formulación comparando diferentes isotermas de una formulación a otra. Por ejemplo, puede modelizar la mezcla de ingredientes secos para predecir la actividad del agua al mezclar dos ingredientes nuevos. También puede determinar el efecto del abuso de temperatura; si un producto se envía y almacena en un camión o almacén caliente, ¿qué le ocurrirá 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 por una actividad de agua inferior a la de su interior, experimenta estrés osmótico. En la figura 3, la actividad del agua en el interior de una célula es de 0,95aw. Fuera de la célula, la actividad del agua es de 0,90aw. Dado que una actividad del agua alta quiere convertirse en una actividad del agua baja, el agua del interior de la célula se desplazará hacia el exterior y, cuando lo haga, la célula perderá presión de turgencia. La célula intentará adaptarse cambiando su proceso metabólico para reducir su actividad interna de agua. Si puede adaptarse al entorno, tendrá suficiente agua o energía para crecer y reproducirse.
Pero, ¿y si no puede igualar el entorno? Otra célula de la figura 3 tiene una actividad del agua de 0,93, pero no coincide con el entorno, que es de 0,90. En este caso, la célula no tiene suficiente energía para crecer y reproducirse, por lo que permanecerá inactiva. En este caso, la célula no dispone de energía suficiente para crecer y reproducirse, por lo que permanecerá inactiva.
La capacidad de un microbio para adaptarse y reducir su actividad acuosa determina cuál es su límite de actividad acuosa. En la década de 1950, el Dr. William James Scott demostró que los microorganismos tienen un nivel de actividad del agua por debajo del cual no crecen (Tabla 3). Existe una actividad del agua específica para cada microorganismo que inhibe su crecimiento, y no pueden crecer en un entorno por debajo de ese límite.
| Microorganismo | Actividad mínima del agua |
|---|---|
| Clostridium botulinum E | 0.97 |
| Pseudomonas fluorescens | 0.97 |
| Escherichia coli | 0.95 |
| Clostridium perfringens | 0.95 |
| Clostridium botulinum A, B | 0.94 |
| Salmonella spp. | 0.95 |
| Vibrio parahaemoliticus | 0.94 |
| Bacillus cereus | 0.93 |
| Listeria monocytogenes | 0.92 |
| Bacillus subtilis | 0.91 |
| Staphylococcus aureus (anaerobio) | 0.90 |
| Staphylococcus aureus (aerobio) | 0.86 |
La tabla 3 muestra que la salmonela tiene un límite de actividad en el agua de 0,95. Esto significa que si un producto tiene una actividad del agua de 0,95, y las condiciones son ideales en cuanto a pH, temperatura, nutrientes y no hay especies competidoras, la salmonela no puede crecer. Si alguna de estas condiciones cambia o es menos que ideal para el crecimiento microbiano, entonces la actividad del agua limitante podría aumentar. Las bacterias pueden crecer con una actividad del agua superior a este límite, pero nunca pueden crecer con una actividad del agua inferior. Y no importa en qué matriz estén las bacterias, 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 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 ahí. Si estos alimentos estuvieran en presencia de 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 estafilocócicas aerobias tienen una actividad acuosa mínima de 0,86. Eso significa que todo lo que supere 0,86aw se considera un alimento potencialmente peligroso. Si estas bacterias empiezan a crecer, enferman a las personas, por lo que los alimentos por encima de esa actividad del agua se consideran potencialmente peligrosos. Todo lo que esté por debajo de 0,85aw es un límite en el que eso no puede ocurrir.
| Rango de actividad del agua | Microorganismos generalmente inhibidos por el agua Actividad en este rango | Alimentos generalmente dentro de este rango |
|---|---|---|
| 0.95-1.00 | Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Shigella, Klebsiella, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum y Salmonella. | Frutas frescas, frutas y verduras en conserva y pescado |
| 0.90-0.95 | Saccharomyces cerevisiae, Vibrio parahaemolyticus, Serratia, Lactobacillus, Pediococcus, Bacillus cereus y Listeria monocytogenes. | Algunos quesos (cheddar, suizo, provolone, muenster), y jamón serrano |
| 0.85-0.90 | Staphylococcus aureus, Micrococcus y muchas levaduras (Candida y Torulopsis) | Salami, bizcochos, quesos secos y margarina |
| 0,85 Y MÁS | ALIMENTOS POTENCIALMENTE PELIGROSOS | |
| 0.80-0.85 | Penicilios micotoxigénicos (Penicillum expansum, Penicillum islandicum), y algunas levaduras (Saccharomyces bailii y Debaromyces hansenii) | La mayoría de los concentrados de zumo de frutas, leche condensada, y siropes. |
| 0.75-0.80 | Bacterias halófilas y Aspergilli micotoxigénicos (Aspergillus niger, Asper- gillus ochraceous, y Aspergillus candidus) | Mermelada y mazapán |
| 0.65-0.75 | mohos xerófilos (Erotium chevalieri, Erotium amstelodami, Wallemia sebi), y Saccharomyces bisporus | Jalea, melaza, azúcar de caña sin refinar, frutos secos y algunas frutas deshidratadas |
| 0.60-0.70 | SIN MOHOS QUE LO ESTROPEEN | |
| 0.60-0.65 | levaduras osmofílicas (Zygosaccharomyces rouxii), y algunos mohos (Aspergillus enchulatus y Monascus bisporus) | Frutos secos con un 15-20% de humedad, algunos caramelos y miel. |
| 0,60 E INFERIOR | SIN CRECIMIENTO MICROBIANO | |
| 0.50-0.60 | Sin proliferación microbiana | Pasta seca y especias |
| 0.40-0.60 | Sin proliferación microbiana | Huevo entero en polvo |
| 0.30-0.40 | Sin proliferación microbiana | Galletas, galletas saladas y cortezas de pan |
| 0.20-0.30 | Sin proliferación microbiana | Café molido tostado y azúcar de mesa |
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 intervalo 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 generalmente implicados en 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 elaborar productos que no sean potencialmente peligrosos ni susceptibles a los mohos causantes del deterioro.
La actividad del agua en acción
Evitar el moho
Un cultivador secó sus pacanas hasta un contenido de humedad del 4%. No estaba seguro de si un 4% era lo suficientemente seco para evitar el crecimiento microbiano, pero históricamente nunca había tenido problemas con esta especificación. Si mirara 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 pacanas se relaciona con un contenido de humedad del 4%. 0,68 está por debajo del límite microbiano para el crecimiento de moho. Por tanto, si la actividad del agua se mantiene en 0,68, un contenido de humedad del 4% es suficiente para evitar el moho.
Pero el producto del cultivador sí tenía moho. ¿Por qué?
Su medición del contenido de humedad sólo tenía una precisión de medio punto porcentual. Cuando las pacanas medían un 4%, en realidad estaban más cerca del 4,5%, lo que significaba que la actividad del agua superaba el límite de seguridad para el moho. El contenido de humedad no era una especificación de calidad adecuada porque las pacanas podían tener entre un 3,5% y un 4,5%, y el productor nunca lo sabría.
Si el contenido de humedad del productor de pacanas fluctúa entre el 3,5 y el 4,5%, no sólo las pacanas son susceptibles al moho, sino que podrían obtener menos beneficios. Un contenido de humedad más bajo significa una nuez de menor calidad (más dura), y significa que entran más nueces en cada bolsa (sobreenvasado). Sin embargo, si hubiera utilizado una especificación más precisa de la actividad del agua, 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 el apelmazamiento y los grumos
Un fabricante de sopa seca procesa una mezcla con 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 sopa era de 0,28aw, y la actividad de agua del pimiento era de 0,69aw, que estaba por encima de la actividad de agua crítica de la sopa. Una mayor actividad de agua siempre se desplaza hacia una menor actividad de agua, por lo que la humedad migró del pimiento a la sopa y provocó que la mezcla se apelmazara. Si el fabricante hubiera medido la actividad del agua antes de añadirlo a la sopa, habría podido predecir el apelmazamiento y la formación de grumos porque sabía que 0,69aw estaba por encima del límite crítico de la sopa. Mediante el 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 por debajo de la actividad crítica del agua. Esta información les serviría para garantizar la homogeneidad de los ingredientes entrantes.
Formular para el éxito
La actividad del agua también es fundamental para la formulación del producto. Si fabricara un pastel de aperitivo 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 contenidos de humedad diferentes. El glaseado tiene un 5%, el relleno de nata casi un 15% y el pastel un 20%. Cada contenido de humedad da una textura diferente cuando el cliente muerde el pastel. Se puede formular cada ingrediente con esta actividad de agua exacta, y cada componente mantendrá su contenido de humedad y su textura. Como la actividad de agua de cada componente es la misma, la humedad no migrará de un componente a otro.
Reduzca el sobreembalaje y aumente los beneficios
Un fabricante de alimentos para mascotas producía con un contenido de humedad del 6,5% porque nunca había tenido ningún deterioro con esa especificación. Creó una isoterma y descubrió que, con un contenido de humedad del 6,5%, su producto tenía una actividad de agua de 0,4, muy por debajo de los límites microbianos. Pero, ¿era demasiado baja su especificación de humedad? Dado que los alimentos para mascotas tienen un contenido máximo de humedad del 10%, podía aumentar el contenido de humedad y la actividad del agua para aumentar su margen de beneficios 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 fijó una nueva especificación de actividad del agua de 0,6, que corresponde a un contenido de humedad del 9,5%. Ambos valores estaban dentro de los límites de seguridad y reglamentarios. Al aumentar la actividad del agua y el contenido de humedad, redujo el coste de las materias primas. Utilizó menos ingredientes para producir la misma cantidad de comida para mascotas, sustituyendo esencialmente esos ingredientes por agua. También redujo el consumo de electricidad y calor al pasar menos tiempo 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 sistemáticamente sus beneficios sin comprometer la calidad ni la seguridad.
Aumentar la estabilidad química/bioquímica
La actividad del agua puede influir en la velocidad de reacción de diversos tipos de reacciones químicas que se producen en los alimentos y los productos farmacéuticos.
La figura 5 es un gráfico desarrollado por el Dr. Ted Labuza que muestra que la mayoría de las velocidades de reacción aumentan con actividades del agua cercanas a 0,6. El gráfico ilustra dónde crecen las bacterias, la levadura y el moho. El gráfico ilustra dónde crecen las bacterias, las levaduras y el moho. También muestra dónde aumenta la actividad enzimática. Las reacciones de oscurecimiento alcanzan su punto máximo en torno a 0,6 y luego disminuyen porque en ese momento hay más agua en la matriz y se diluyen. La oxidación de lípidos sigue una tendencia inusual en la que es alta a bajas actividades de agua y alta de nuevo a altas actividades de agua. Curiosamente, es más estable en actividades de agua entre 0,3 y 0,4, lo que 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 ocurran cosas como el crecimiento microbiano, la migración de la humedad y los cambios físicos y químicos. El contenido de humedad es sólo la cantidad de agua. No es una fuerza motriz, por lo que no indica lo que va a hacer el agua, sino la cantidad que 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: un estudio colaborativo de diferentes métodos". Journal of Food Science 41, no. 4 (1976): 910-917.
Scott, W. J. "Water relations of food spoilage microorganisms". En Advances in food research, vol. 7, pp. 83-127. Academic Press, 1957.
