Guía completa sobre la actividad del agua (aw) para fabricantes de alimentos

¿Por qué la actividad del agua?

La utilidad de la actividad del agua como indicador de calidad y seguridad se puso de manifiesto cuando quedó claro que el contenido de humedad no podía explicar adecuadamente las fluctuaciones en el crecimiento microbiano. El concepto de actividad del agua (aw) ha sido de gran utilidad para los microbiólogos y los tecnólogos alimentarios durante décadas. Es el criterio más utilizado para evaluar la seguridad y la calidad.

Actividad del agua: todo es cuestión de energía

¿Qué es la actividad del agua?

Coge un vaso de agua y una esponja seca. Moja 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 mueva hacia la esponja. Para entenderlo mejor, piensa en cómo el agua de la esponja es diferente del agua del vaso.

El agua del vaso es libre, pero la del esponja no lo es en absoluto. Está retenida por enlaces de hidrógeno, fuerzas capilares y fuerzas de van der Waals-London. A esto se le denomina «efectos de matriz». El agua de la esponja se encuentra en un estado de menor energía que la del vaso. El agua fluye hacia el interior de la esponja, pero para sacarla debemos realizar un trabajo, es decir, apretar 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 reducirse diluyéndola con solutos. A esto se le denomina «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 matriciales y osmóticos.

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

Combine galletas con un 20 % de contenido de agua y relleno de queso con un 30 %. ¿Una receta para galletas empapadas? No, si los dos ingredientes tienen la misma actividad de agua. ¿Necesita evitar que se formen grumos y se apelmacen las especias? Iguale la actividad 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 los lípidos, la textura crujiente, la masticabilidad, la suavidad y muchos otros factores relacionados con la calidad. El contenido de humedad indica cuánta agua hay en un producto, pero eso es todo. No permite predecir ninguno de estos otros aspectos relacionados con la calidad y la seguridad.

Predicción de seguridad y estabilidad

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

Mediante la medición y el control de 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 de oscurecimiento no enzimáticas y las reacciones espontáneas de oxidación autocatalítica de los lípidos.
• Prolongar la actividad de las enzimas y las 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 hermético, la humedad relativa del aire en el espacio superior se equilibrará con la actividad del agua de la muestra. En equilibrio, ambas serán iguales, y podremos medir la humedad relativa del espacio superior 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 actividad del agua, la mayoría de los instrumentos modernos utilizan sensores higrómetros de capacitancia eléctrica o resistencia para medir la humedad en el espacio superior a 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, el ERH es igual a la actividad del agua de la muestra solo mientras la temperatura de la muestra y la del sensor sean iguales. Para obtener mediciones precisas es necesario un buen control o medición de la temperatura. Los sensores de capacitancia tienen un diseño sencillo y se utilizan a menudo en medidores de actividad del agua relativamente económicos.

El punto de rocío es un método primario.

Los mejores métodos para responder 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) depende únicamente de la temperatura de la muestra (como se muestra en el gráfico adjunto), por lo que es posible determinar 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 situado sobre la muestra. La forma más precisa de medir esa presión de vapor, y que se remonta a los principios fundamentales, es medir el punto de rocío del aire.

El método primario significa medición directa, sin calibración.

Las principales ventajas del método del punto de rocío (o punto de rocío con espejo enfriado) son la rapidez y la precisión. El sensor de punto de rocío con espejo enfriado es un método de medición primario basado en principios termodinámicos fundamentales. Los medidores de actividad del agua con espejo enfriado realizan mediciones de gran precisión (_±0,_{003 aw}), 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. En algunas aplicaciones, la rapidez de este método permite a los fabricantes realizar un control 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 especializada es el método más rápido y preciso del mercado para medir la actividad del agua. Vea el vídeo para descubrir cómo funciona.

Las regulaciones gubernamentales recomiendan el uso de la actividad del agua.

La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos ha incorporado la actividad del agua en las normas de seguridad. Estas normas detallan los requisitos y prácticas específicos para garantizar que los productos se fabriquen en condiciones higiénicas y sean puros, saludables y seguros. Utilice la tabla siguiente como referencia de las normas de seguridad del Gobierno de los Estados Unidos que recomiendan el uso de la actividad del agua.

La actividad del agua simplifica la vida útil

Sin una vida útil precisa y específica para cada producto, podrías estar desechando productos caducados que aún están en buen estado. O vendiendo productos no caducados que, en realidad, están en mal estado. Podrías estar pagando demasiado por un envase que no beneficia a tu producto. O renunciando a una vida útil considerable que se obtendría con un envase mejor. La cuestión es que no lo sabes con certeza porque estás actuando a ciegas.

Entonces, ¿por qué no se realizan más pruebas de vida útil?

Por lo general, esto se debe a que realizar unas pruebas de vida útil completas y rigurosas es una tarea abrumadora. Implica relaciones complejas entre la humedad, la temperatura y los modos de fallo del producto.

Hay muchos factores que pueden hacer que su producto resulte inseguro o poco apetecible: moho, proliferación microbiana, enranciamiento, cambios en la textura o el sabor, o pérdida de vitaminas. La mayoría de las personas no cuentan con los conocimientos necesarios para realizar pruebas exhaustivas de la vida útil en sus propias instalaciones, y recurrir a un laboratorio externo para ello resulta caro.

Existe una alternativa con base científica a este tipo de pruebas de vida útil. Se trata de la vida útil, simplificada mediante la actividad del agua. Proporciona todos los datos necesarios para predecir la vida útil de tu producto a partir de un experimento que cualquiera, incluso una pequeña empresa emergente, puede permitirse realizar.

Vida útil 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 pueden suponer un problema para ese producto.
2. Simplifica la predicción. Puede utilizar su medidor de actividad del agua junto con otro método de medición (el que dependa de su modo de fallo particular) para realizar un sencillo experimento interno que le permitirá predecir con precisión la vida útil.
3. Estandariza la producción. Puede establecer una especificación de actividad del agua que le permita alcanzar la vida útil óptima en cada lote.

Los datos sobre la vida útil pueden proporcionar información valiosa que le ayudará a evitar fallos en los productos, predecir y prolongar la vida útil, elegir el embalaje 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. Es la actividad del agua, y no el contenido de humedad, la que determina el límite inferior del agua «disponible» para el crecimiento microbiano. Dado que las bacterias, las levaduras y los mohos necesitan una cierta cantidad de agua «disponible» para crecer, el diseño de un producto con una actividad del agua inferior al nivel crítico constituye un medio eficaz para controlar su crecimiento.

Puede haber agua presente en un producto, incluso en cantidades elevadas, pero si su nivel de energía es lo suficientemente bajo, los microorganismos no pueden aprovecharla para su crecimiento. Esta condición «desértica» crea un desequilibrio osmótico entre los microorganismos y el entorno local. En consecuencia, los microbios no pueden crecer.

El moho y el crecimiento microbiano son las amenazas más peligrosas para la vida útil. El control de la actividad del agua puede inhibir o impedir el crecimiento microbiano, prolongar la vida útil y permitir que algunos productos se almacenen de forma segura sin necesidad de refrigeración. Mediante 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 deteriorantes 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 de oscurecimiento no enzimáticas aumentan con el aumento de la actividad del agua hasta un máximo de 0,6 a 0,7_aw, y la oxidación de los lípidos se minimiza entre 0,2 y 0,3_aw aproximadamente. 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 con alta humedad (y, con menos frecuencia, con baja humedad) pueden afectar a la actividad del agua de un producto, provocando cambios indeseables en su textura o propiedades físicas y acortando su vida útil. Entre los problemas que pueden surgir se encuentran la pérdida de crujiente en los productos secos, la aglomeración y la formación de grumos en los polvos, y la dureza o la textura masticable en los productos húmedos. Determinar la actividad del agua crítica para su producto puede requerir cierta investigación, pero la actividad del agua facilita mucho esta tarea.

Embalaje, envío y almacenamiento

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

Las isotermas identifican el punto óptimo de actividad del agua.

Predecir los cambios en los productos a lo largo del tiempo.

Los fabricantes de alimentos necesitan saber cuánto tiempo tardará su producto en enmohecerse, empaparse, ponerse rancio, endurecerse, aglutinarse, cristalizarse y volverse inaceptable para el consumidor. La isoterma de sorción de humedad es una herramienta poderosa para predecir y prolongar la vida útil de un producto. Le permite:

• Encuentre 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 en los ingredientes y la formulación.
• Calcular con precisión la vida útil
• Crear modelos de mezcla
• Realizar cálculos de embalaje
• Encuentre el valor de 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 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 con alto contenido en grasas.

El método artesanal no es práctico.

La forma clásica de trazar una isoterma consiste en colocar la muestra en un desecador con una solución salina de actividad del agua conocida hasta que el peso de la muestra deje de variar. A continuación, se pesa la muestra para determinar su contenido de agua. Cada muestra genera un punto en la curva isotérmica.

Debido a que 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 sorción de humedad a mano es una tarea laboriosa. El método necesitaba automatización. El método utilizado inicialmente, y que aún se utiliza en 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 que 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, lo que le sucede a un producto cuando se expone a determinadas humedades y la rapidez con la que 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 solo un punto en la curva isotérmica.

Las isotermas DDI revelan lo que hasta ahora no se había visto

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) mientras la muestra se expone a aire humidificado 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, aglutinación, delicuescencia y pérdida de textura.

Cómo se crean las isotermas

AQUALAB VSA genera automáticamente gráficos isotérmicos DDI y DVS rápidos y de alta resolución que cambian la forma en que entiende 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 modelización intuitivo y con todas las funciones. El kit de herramientas de análisis de humedad le muestra cómo convertir sus datos en soluciones mediante modelos predictivos probados en investigaciones. 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 del embalaje, determine la higroscopicidad, realice un seguimiento de la histéresis, prediga la degradación del recubrimiento, detecte la susceptibilidad a la aglomeración y mucho más.

Las isotermas identifican los valores críticos de actividad del agua.

A pesar de utilizar bolsas dobles y de establecer estrictas directrices de almacenamiento en cuanto a la temperatura, un fabricante de leche en polvo atomizada seguía teniendo problemas con la formación de grumos.

Cuando la transición vítrea se convierte en un problema

Cuando la leche se seca por atomización, la rápida evaporación deja los azúcares en un 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 agrupan mientras el polvo se encuentra en estado vítreo. La estructura cristalina es un estado de menor energía, por lo que siempre habrá algunas moléculas en transición del estado vítreo al cristalino. Los problemas surgen cuando la velocidad de transición alcanza un punto de inflexión.

La actividad del agua predice la tasa de transición.

A un valor de_aw de 0,30, la lactosa podría tardar varios años en cristalizarse por completo. A un valor_{de aw de} 0,40, podría tardar un mes. Por encima de 0,43, la transición se producirá en unas pocas horas. Una vez que la lactosa se ha cristalizado, la leche en polvo queda alterada de forma permanente. Retiene una cantidad de agua radicalmente diferente, no se disuelve y no sabe bien. En esencia, se ha echado a perder.

Las isotermas DDI predicen el punto de transición vítrea.

El punto de transición vítrea de polvos como la leche en polvo atomizada se puede determinar utilizando una isoterma DDI de alta resolución. Las isotermas tradicionales se basan en modelos para completar 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 atomizada.

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

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

Crear modelos de mezcla

Un fabricante de pasteles estaba elaborando una receta para un pastel relleno de crema. Los componentes de la receta eran glaseado (aproximadamente un 7 % de humedad), relleno de crema (12 %) y pastel (15 %). La migración de humedad durante la vida útil había causado anteriormente problemas de textura, como pasteles rancios, glaseado gomoso y relleno de crema licuado que se derramaba en el pastel.

Vea cómo se mueve la humedad entre los componentes.

Las isotermas de sorción de humedad de cada ingrediente mostraron que el glaseado, el ingrediente más seco, tenía la actividad de agua más alta, con un valor de 0,79. Las actividades de agua de la crema y el pastel eran similares, con valores de 0,66 y 0,61, respectivamente.

Predecir la actividad del agua del producto final.

La transformación de isotermas en gráficos chi predijo una actividad del agua del producto final de 0,67, un valor microbiológicamente seguro para el pastel.

Evita sorpresas desagradables.

El pastelero continuó horneando y probando con éxito el pastel con una actividad de agua en equilibrio (0,67).

Seleccionar embalaje

Las bebidas en polvo envasadas en porciones individuales constituyen 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 bebida por debajo del_aw crítico_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 del punto de rocío (DDI) hace posible este tipo de cálculo de envasado.

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

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

Calcular la conductancia del paquete

Mediante cálculos simplificados de embalaje (disponibles en Fundamentals of Isotherms y como herramienta de software), evaluamos cuatro tipos diferentes de envases para esta bebida en polvo: su envase original y tres posibles alternativas. En condiciones de humedad extrema (25 °C, 75 % de humedad), estos son los resultados:

Comprender los cambios en la formulación

Una empresa de alimentos para mascotas cambió la fórmula para producir un producto sin conservantes controlado por la actividad del agua. Poco después de introducir el producto, comenzaron a recibir devoluciones debido al deterioro.

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

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

Investigar el fallo del producto

Tras 13 temporadas sin problemas, a un productor de nueces pecanas le rechazaron su cosecha debido a problemas de moho. Se creó una isoterma para investigar el problema.

Para evitar el crecimiento microbiano, las nueces pecanas deben secarse hasta alcanzar un valor de 0,60_aw. Como muestra la isoterma, 0,60_aw corresponde a un 4,8 % de humedad en las nueces pecanas. La isoterma de las nueces pecanas también es bastante plana en esta región de control crítico, 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.

Isotherm muestra que las especificaciones se establecieron demasiado bajas.

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

Cualquier cosa, desde el almacenamiento en condiciones de alta humedad hasta un embalaje inadecuado, podría haber provocado que las nueces pecanas entraran en contacto con agua de forma insegura y se echaran a perder.

Estudios que utilizan isotermas dinámicas del punto de rocío (DDI)

Allan, Matthew y Lisa J. Mauer. «Comparación de métodos para determinar los puntos de delicuescencia de ingredientes monocristalinos y mezclas». Food Chemistry 195 (2016): 29-38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

Allan, Matthew, Lynne S. Taylor y Lisa J. Mauer. «Efectos de los iones comunes en la disminución de la deliquescencia de mezclas de ingredientes cristalinos». Food Chemistry 195 (2016): 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

Barry, Daniel M. y John W. Bassick. «Desarrollo del traje avanzado de evacuación de la tripulación del transbordador espacial de la NASA». Serie de documentos técnicos de la SAE, 1995. doi:10.4271/951545.

Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals y Jaya Shankar Tumuluru. «Impacto del pretratamiento secuencial con expansión de fibra de amoníaco (AFEX) y la peletización en las propiedades de sorción de humedad del rastrojo de maíz». Drying Technology 33, n.º 14 (2015): 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. y Carter, A.H. 2016. Cambios en la permeabilidad a la humedad del grano en la actividad crítica del agua a partir de isotermas dinámicas del punto de rocío. Transacciones de la ASABE. 59(3):1023-1028.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L. y Carter, A.H. 2015. Argumentos a favor de la actividad del agua como especificación para el templado del trigo y la producción de harina. Cereal Foods World 60(4):166-170.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell y Arron H. Carter. «La actividad crítica del agua a partir de isotermas dinámicas del punto de rocío como indicador de la textura crujiente en galletas con bajo contenido de humedad». Journal of Food Measurement and Characterization 9, n.º 3 (2015): 463-70. doi:10.1007/s11694-015-9254-3.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell y Arron H. Carter. «La actividad crítica del agua a partir de isotermas dinámicas del punto de rocío como indicador de la estabilidad de los polvos premezclados». Journal of Food Measurement and Characterization 9, n.º 4 (2015): 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.

Carter, B.P y S.J. Schmidt. 2012. Avances en la determinación de la transición vítrea en alimentos mediante isotermas de sorción de humedad. Food Chemistry 132:1693-1698.

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Fonteles, Thatyane Vidal, Ana Karoline Ferreira Leite, Ana Raquel Araújo Silva, Alessandra Pinheiro Góes Carneiro, Emilio De Castro Miguel, Benildo Sousa Cavada, Fabiano André Narciso Fernandes y Sueli Rodrigues. «Tratamiento por ultrasonidos para mejorar el secado del puré de bagazo de manzana de anacardo: influencia en las propiedades antioxidantes y la bioaccesibilidad in vitro de los compuestos bioactivos». Ultrasonics Sonochemistry 31 (2016): 237-49. doi:10.1016/j.ultsonch.2016.01.003.

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Apéndice:

Actividad del agua frente al contenido de humedad

A menudo se piensa que la actividad del agua es una medida 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, medir el contenido de humedad es sencillo. Basta con determinar la cantidad de agua que contiene un producto y compararla con el peso del resto de sus componentes. Sin embargo, en la práctica, obtener un porcentaje exacto de agua en un producto es un proceso difícil y complejo. A continuación explicamos por qué.

Los diferentes métodos de presentación de informes causan confusión.

El contenido de humedad se indica en base húmeda o seca. En el caso de la base húmeda, la cantidad de agua se divide entre el peso total de la muestra (sólidos más humedad). En el caso de la base seca, la cantidad de agua se divide entre el peso seco (solo sólidos). Lamentablemente, el contenido de humedad suele indicarse solo como porcentaje, sin especificar qué método se ha utilizado. Aunque es fácil convertir entre base húmeda y seca, se producen confusiones y posibles problemas cuando se comparan contenidos de humedad indicados en bases diferentes. Además, el contenido de humedad indicado en base seca puede dar lugar a un valor porcentual superior al 100 %, lo que causa más confusión.

Los diversos métodos de medición hacen imposible realizar comparaciones.

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

Los métodos indirectos no eliminan el agua de la muestra. En su lugar, miden alguna propiedad del alimento que cambia a medida que cambia el contenido de humedad. Estos métodos requieren una 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 indirecta 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, hay que tener en cuenta que un método de medición no siempre proporciona los mismos resultados que otro, y que normalmente el método de medición no se indica junto con el valor del contenido de humedad.

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

La variabilidad es difícil de evitar.

Una respuesta a estos problemas es simplemente 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 no eliminará todos los problemas. Consideremos, por ejemplo, la pérdida por secado. Este método parece bastante sencillo. Se pesa una muestra y se registra su peso. A continuación, la muestra se transfiere a un horno, se deja secar y se mide el peso seco. La cantidad de agua se determina restando el peso seco del peso inicial, y el contenido de humedad se calcula entonces como la cantidad de agua dividida por el peso seco o el peso total, dependiendo del método de notificación.

Incluso este sencillo método de pérdida por secado está plagado de posibles fuentes de variabilidad. La más fundamental es que el término «seco» carece de un significado científico real y nunca se ha definido con claridad. En su lugar, es necesario establecer para cada muestra un grado de sequedad arbitrario que sea reproducible. La «sequedad» se define a menudo como el punto en el que cesa la pérdida de peso. Sin embargo, los gráficos termogravimétricos muestran que la pérdida de peso se estabiliza a diferentes temperaturas según el producto. Además, dependiendo del producto, el tiempo necesario para alcanzar la «sequedad» variará, y una temperatura que produzca «sequedad» en un producto puede provocar la descomposición en otro. Esto significa que cada muestra tiene una temperatura de horno 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 lo está. Es difícil saber qué combinación utilizar para productos no probados. Si no se utiliza la misma combinación de tiempo y temperatura, no deben compararse los contenidos de humedad resultantes.

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

Otras fuentes de variación específicas del método de pérdida por secado 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. Es interesante que, a pesar de los posibles inconvenientes, cuando se publica en la literatura científica un contenido de humedad determinado mediante pérdida por secado, se acepta inmediatamente como correcto. Además, cuando se comparan métodos de determinación del contenido de humedad y uno de ellos es la pérdida por desecación, siempre se da por sentado que la medición de la pérdida por desecación es correcta.

¿Qué significa «seco»?

Definir el término «seco» resultaría útil para eliminar algunas de las inconsistencias asociadas a la medición de la humedad. La mejor forma de definir «seco» sería determinar una actividad del agua en estado de secado en estufa. Entonces, el peso seco sería el peso de la muestra cuando haya alcanzado esta actividad del agua en seco al horno. En condiciones ambientales habituales de 25 °C y 30 % de humedad relativa, un horno ajustado a 95 °C crearía una actividad del agua en seco al horno de 0,01 aw en su interior, suponiendo que la presión de vapor en el horno sea la misma que la del aire. Un horno que mantuviera condiciones en las que su actividad del agua en seco al 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 cambiar. Su actividad del agua sería de 0,01 aw, y su peso sería el peso seco. La presión de vapor y la temperatura del horno podrían ajustarse para evitar también la liberación de sustancias volátiles, siempre que la actividad del agua en el horno se mantuviera en 0,01 aw. El uso de este método eliminaría la inconsistencia que se deriva de los múltiples métodos de medición y de una definición poco clara de «seco».

Un análisis más preciso de la humedad

El contenido de humedad proporciona información valiosa sobre el rendimiento y la cantidad, lo que lo hace importante desde el punto de vista financiero. También ofrece información sobre la textura, ya que unos niveles crecientes de humedad aportan movilidad y reducen la temperatura de transición vítrea. Sin embargo, obtener valores de contenido de humedad correctos y consistentes puede resultar difícil, y no se puede dar por buena una medición del contenido de humedad sin conocer los métodos utilizados para obtenerla.  Surgen problemas adicionales cuando la cantidad de agua en un producto se utiliza para transmitir una información que en realidad no refleja, en lo que respecta a 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 un análisis completo de la humedad, los desarrolladores de productos alimenticios 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 alcanzar 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 química física. Como principio termodinámico, existen requisitos que deben cumplirse para definir la actividad del agua. Estos requisitos son: el agua pura (aw = 1,0) es el estado estándar, el sistema está en equilibrio y la temperatura está definida.

En 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 la 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 a escapar de una sustancia; y fo es la tendencia a escapar 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 un subíndice para la sustancia.

_aw = f/fo

La fugacidad es la actividad del agua, o la tendencia del agua a escapar en un sistema, dividida por la tendencia a escapar 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 alcanza en un sistema cuando μ es igual en todas partes del sistema. El equilibrio entre las fases líquida y gaseosa implica que μ es igual en ambas fases. Es este hecho el que permite medir la fase gaseosa 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 alcanza el equilibrio entre el vapor y la temperatura, la actividad del agua de la muestra es igual a la humedad relativa del aire que rodea a la muestra en una cámara de medición sellada. La multiplicación de la actividad del agua por 100 da como resultado la humedad relativa de equilibrio (ERH) 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, la sal o el azúcar) interactúan con el agua a través de enlaces dipolares, iónicos y de hidrógeno.
2. Efecto capilar, en el que la presión de vapor del agua por encima de un menisco líquido curvo es menor que la del agua pura debido a los cambios en los enlaces 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) a través de fuerzas dipolo-dipolo, enlaces iónicos (HO u OH), fuerzas de van der Waals (enlaces hidrofóbicos) y enlaces de hidrógeno3–

Es la combinación de estos tres factores en un producto alimenticio lo que reduce la energía del agua y, por lo tanto, reduce la humedad relativa en comparación con el agua pura. Estos factores se pueden agrupar en dos grandes categorías: efectos osmóticos y matriciales.

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 parece estar «ligada» por fuerzas en distintos grados. Se trata de un continuo de estados energéticos, más que de un «estado de ligadura» estático. 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 logran definir 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 unión 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 determinante, el control suele depender del estado de la matriz. Dado que el estado de la matriz (estado vítreo frente a estado gomoso) depende de la temperatura, no es de extrañar que la temperatura afecte a la actividad del agua de los alimentos. El efecto de la temperatura sobre la actividad del agua de un alimento depende del producto. Algunos productos aumentan la actividad del agua al aumentar la temperatura, otros la disminuyen, mientras que la mayoría de los alimentos con alto contenido de humedad presentan cambios insignificantes 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 la temperatura afecta a los factores que controlan la actividad del agua en los alimentos.

Como medida de energía potencial, es una fuerza impulsora del movimiento del agua desde regiones de alta actividad hídrica hacia regiones de baja actividad hídrica. Algunos ejemplos de esta propiedad dinámica de la actividad del agua son: la migración de la humedad en alimentos con múltiples dominios (por ejemplo, un sándwich de galletas saladas y queso), el movimiento del agua desde el suelo hacia las hojas de las plantas y la presión de turgencia celular. Dado que las células microbianas son concentraciones elevadas de soluto rodeadas por membranas semipermeables, el efecto osmótico sobre la energía libre del agua es importante para determinar las relaciones hídricas microbianas y, por lo tanto, sus tasas de crecimiento.

Una potente herramienta de medición para el control y la garantía de calidad 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 alimenticios. También tiene una relación directa con muchas de las reacciones que acaban con la vida útil de los alimentos. Dado que se mide en una escala con un estándar conocido, es especialmente adecuada para servir como especificación de seguridad y calidad.

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Preguntas frecuentes

¿Cuánto tiempo se tarda en medir la actividad del agua?

Los instrumentos modernos de medición del punto de rocío, como el AQUALAB 4TE, proporcionan una lectura de la actividad del agua en unos cinco minutos con una precisión de +/- 0,003 aw; los sensores basados en capacitancia son más rápidos, pero requieren una calibración periódica con respecto a un método primario. Los tiempos de prueba de cinco minutos son lo suficientemente cortos como para permitir controles de calidad durante el proceso en la mayoría de los ritmos de producción.

¿Cómo puedo reducir la actividad del agua en un producto alimenticio?

La actividad del agua se reduce añadiendo humectantes —sal, azúcar, glicerol o propilenglicol—, que se unen a las moléculas de agua y reducen su presión de vapor; eliminando el agua del producto; o combinando ambos métodos. Las isotermas de sorción muestran cómo cada cambio en la formulación afecta a la actividad del agua final, por lo que resultan esenciales para alcanzar una actividad del agua objetivo sin necesidad de recurrir al método de prueba y error.

¿Cuál es el umbral de actividad del agua a partir del cual los alimentos deben conservarse en frío?

La FDA clasifica los productos con un aw superior a 0,85 como alimentos sujetos al control de temperatura por motivos de seguridad (TCS), lo que significa que deben refrigerarse como medida de seguridad. Los productos con un aw igual o inferior a 0,85 se consideran, en general, de larga duración frente al crecimiento de patógenos, aunque el riesgo de aparición de moho persiste hasta un aw de 0,70.

¿Pueden dos ingredientes que, por separado, son seguros, resultar peligrosos al combinarlos?

Sí, si los componentes presentan diferentes actividades del agua, esta migrará del componente con mayor actividad del agua al que tenga menor, hasta que se alcance el equilibrio; y la actividad del agua final en equilibrio podría ser lo suficientemente alta como para favorecer el crecimiento de patógenos. Equilibrar las actividades del agua de los componentes antes de mezclarlos evita este riesgo de migración de la humedad.

¿Se puede medir la actividad del agua en la planta de producción o es necesario hacerlo en un laboratorio?

Los medidores de actividad del agua de sobremesa están diseñados para entornos de producción y no requieren un laboratorio; el AQUALAB 4TE se utiliza ampliamente en línea en las instalaciones de fabricación de alimentos. También hay disponibles opciones de sensores en línea para la monitorización continua durante el procesamiento sin necesidad de tomar muestras individuales.