ACTIVIDAD DE AGUA EN LOS ALIMENTOS

Dr.C. Aldo HernándezInstituto de Farmacia y Alimentos

Universidad de La Habana

• Es un componente importante de los alimentos.

• Contribuye a la estructura y textura y su interacción con otros componentes determina la estabilidad relativa durante el almacenamiento.• Es un factor importante en el deterioro de alimentos por el papel que desempeña en diferentes reacciones químicas y enzimáticas así como en el desarrollo microbiano.

El agua

Durante muchos años se pensó que el mecanismo de conservación de los alimentos era la reducción del contenido de humedad, la deshidratación de alimentos es una de las formas más antiguas de conservación.

Sin embargo, no es la cantidad de agua lo verdaderamente importante, sino la disponibilidad que ésta muestre para que ocurran las reacciones de deterioro.

El agua y la conservación de los alimentos

• El aceite de maní se deteriora lentamente con un contenido de humedad de 0,6 %.

• El azúcar refino cristalina es inestable con un 2 % de humedad.

• El almidón de papa es estable hasta con un 20 % de humedad.• Lo más importante no es el contenido de agua si no la disponibilidad que ésta muestre para que ocurran las reacciones de deterioro.

La estabilidad de alimentos y la humedad

• A esta disponibilidad se le denomina actividad de agua (aw).

• Conocer esta propiedad es de gran utilidad en alimentos ya que se relaciona con aspectos como: ganancia o pérdida de humedad, crecimiento de microorganismos, cinética de reacciones deteriorativas de los nutrientes, cambios en sabor, aroma, textura, estabilidad y conservación en general.

La actividad de agua

Concepto de actividad de agua (aw)Se parte del concepto termodinámico de Energía libre de Gibbs:

G = H – TS = E + PV – TS

dG = dH – TdS = VdP – SdT

En sistema de varios componentes, las especies químicas pueden ser ganadas o pérdidas, la energía libre (G) está en función no solo de la temperatura (T) y la presión (P), si no del número de moles del componente (i)(ni)

dG = VdP – SdT + Σin[dG/dni]T,P,ndni

Concepto de actividad de agua (aw)En la anterior ecuación se incluye el término potencial químico del componente (µi) o energía libre parcial molar.

De igual modo para una mezcla binaria como puede ser un alimento:

µvapor = µalimento

µw + RTln fw = µºw + RTln aw

Por lo tanto, la actividad de agua (aw) representa el potencial químico relativo al agua en el alimento y constituye el control básico en la conservación de alimentos.

Concepto de actividad de agua (aw)

Desde el punto de vista termodinámico aw quedaría:

aw = e[µw - µºw/RT]

Cuanto más pequeño sea el potencial químico en un alimento, más pequeña será la fuerza impulsora para las reacciones químicas del agua.

Esta ecuación no se utiliza, esta propiedad se expresa en función de la presión de vapor de agua del alimento (pw) y la del agua pura (pºw) o en función de las humedades relativas.

Concepto de actividad de agua (aw)

aw =pw/pºw

aw = %(HR)/100 = % (HRE)/100HR- Humedad relativa

HRE- Humedad relativa de equilibrio a la cual el alimento no gana ni pierde humedad con la atmósfera.

1. Se refiere a un estado de equilibrio verdadero2. Está definida a una temperatura específica y presión total3. El estado de referencia debe ser claramente especificado

• Presión Parcial (Pvf)La presión ejercida por las moléculas de una sustancia en una mezcla gaseosa.• Presión de Vapor (Pº

w) La presión ejercida por el vapor de agua cuando el líquido y el vapor están en su equilibrio

Presión parcial y presión de vapor

N2 + O2 +H2O

PT = PO + PN +PH

A presión ambiente de 14,7 psi y 50 % HR pN = 11,195 psi pO = 2,975 psi pW = 0,53 psi

po = 1,06 psi T ~ 104oF

Isoterma de adsorción y desorción de agua

I II III

Velocidad relativa de las reacciones degradativas en función de la actividad del agua (Labusa, 1970).

 

Actividad de agua y las reacciones deteriorativasIntervalo de actividad de agua

Tipo de reacción deteriorativa predominante

Tipo posible de reacción deteriorativa

1 – 0,80 Crecimiento de microorganismos

Reacciones enzimáticas

1 – 0,91 Bacterias

1 – 0,88 Levaduras

1 – 0,80 Mohos

0,80 – 0,65 Reacciones enzimáticas (descomposición de grasas y oscurecimiento)

Oscurecimiento no enzimático

0,80 – 0,70 Crecimiento de microorganismos (bacterias halófilicas

0,80 – 0,65 Moho xerofílicos

0,65 – 0,3 Oscurecimiento no enzimático (Maillard)

Reacciones enzimáticas, auto oxidación

0,3 – 0,0 Autooxidación, cambios físicos

Reacciones de decoloración no enzimática, reacciones enzimá-ticas

     Leche 0,994 87Carne fresca 0,985 70Pan 0,96 40Queso Gouda 0,94 40Salchicha 0,89 42Mermelada 0,86 35Leche concentrada azucarada 0,83 28Harina de trigo 0,72 14,5Raisins 0,60 27Macarrones 0,45 10Caramelo duro 0,30 3Bizcochos 0,20 5Leche descremada en polvo 0,11 3,5

Producto aw Humedad(%)

Papas fritas crujientes 0,08 1.5

•Alimentos deshidratados

•Alimentos concentrados•Alimentos de humedad intermedia (0,65 < aw < 0,95)

•Alimentos de alta humedad (conservados por métodos combinados) (aw> 0,95)

Clasificación de los alimentos en base al valor de la aw

Limites máximos de aw en alimentos

Organismos internacionales como FDA (E.U.A), comité de expertos de la FAO y OMS, la dirección sanitaria de CCE (directiva 77/79 de 21/12/76) recomendaron el establecimiento legal de los límites máximos limite para el valor de aw

Los esfuerzos en esta línea requieren el establecimiento de métodos seguros y precisos para la determinación o el cálculo de la actividad de agua en los alimentos

Métodos para la determinación de la actividad de agua

• Existe una gran variedad de métodos, la selección dependerá de los costos, intervalos de aw, exactitud, rapidez del método, calibración y mantenimiento de cada equipo.

• Se clasifican atendiendo al principio que utilicen para la medición.

Clasificación de los métodos de medición aw

• Métodos isopiéticos (a presión constante)• Métodos de intervalo• Método de interpolación gráfica• Método dinámico de interpolación• Métodos basados en las propiedades coligativas

del agua• Métodos psicrométricos• Métodos higrométricos• Isotermas de sorción• Métodos gravimétricos• Métodos manaométricos/higrométricos

Métodos isopiéticos (a presión constante)

Se basan en el equilibrio que alcanza el alimento con algún material de referencia en un sistema cerrado, puede requerir varios días o semanas

Muestras

Recipiente cerrado

Solución salina saturada

Procedimiento:

• Preparación de la muestra, bien dividida

• Colocar cantidad de muestra conocida en pesafiltros

• Los pesafiltros se pesan periódicamente hasta que no haya variación entre pesadas (equilibrio).

• Los datos promedios de al menos tres determinaciones se informan como awT constante

Actividades acuosas de las soluciones salinas usadas en la determinación aw

Sal Temperatura ºC5 10 20 25 30 40 50

Cloruro de litio 0,113 0,113 0,113 0,113 0,113 0,112 0,111Acetato de potasio - 0,234 0,231 0,225 0,234 0,216 -Cloruro de magnesio 0,336 0,335 0,331 0,328 0,324 0,316 0,305Carbonato de potasio 0,431 0,431 0,432 0,432 0,432 - -Nitrato de magnesio 0,589 0,574 0,544 0,529 0,514 0,484 0,454Yoduro de potasio 0,733 0,721 0,689 0,689 0,679 0,661 0,645Cloruro de sodio 0,757 0,757 0,755 0,753 0,751 0,747 0,744Sulfato de amonio 0,824 0,821 0,813 0,810 0,806 0,799 0,792Cloruro de potasio 0,877 0,868 0,851 0,843 0,836 0,823 0,812Nitrato de potasio 0,963 0,960 0,946 0,936 0,923 0,891 0,848Sulfato de potasio 0,985 0,982 0,976 0,973 0,970 0,964 0,958

Método de intervalos• Se cortan tiras de papel 0,5 x 2,5 cm. Colocar cinta adhesiva

• Dos tiras se humedecen con la sol. correspondiente y se coloca en las tapas de la caja Petri.

• Secar las tiras a temperatura ambiente o en estufa.

• El alimento se coloca en la caja Petri, se cierra y se sellan. El alimento y tiras no deben hacer contacto.

• Después de 24 horas se determina que tiras están húmedas.

• En función de las sales Y temperatura se da aproximadamente la aw ( intervalo)

• Ejemplo: 0,25 < aw < 084

Método de interpolación gráficaLa ganancia o pérdida de agua de la muestra se representa gráficamente, el punto donde no hay ganancia corresponde a HRE

• Se utilizan celdas de equilibrio con la sol. saturada donde se coloca la muestra ( no contacto entre muestra y solución)

• Registrar el peso de recipiente y muestra y recipiente.

• Colocar las celdas con las muestras en una incubadora a temperatura constante.

• Se pesan las muestras cada dos horas durante seis horas.

• Se construye el gráfico de ganancia o pérdida de agua ( peso Vs aw de soluciones salinas), se traza una línea que una todos los puntos y se determina aw

Métodos psicrométricos

Estos métodos basan su principio de operación en la mezcla agua- aire entre ellos se encuentran:

• El de punto de rocío, en el que la formación de rocío es detectada fotoeléctricamente u óptimamente dependiendo del tipo de equipo. Como ventaja que la medición se puede hacer a cualquier temperatura.

• Termopar psicrométrico, se fundamente en la disminución de la temperatura de bulbo húmedo. El enfriamiento ocasionado a la muestra hace que el agua se condense sobre el termopar, la velocidad de evaporación de dicha agua está en función de la actividad de agua o equilibrio creado.

Medidor de actividad de agua

Especificaciones: Rango: 0,000 a 1,000 Aw (0 a 100 % de humedad relativa), de 5 a 50 ° C, Ambiente de operación: 0 a 99 % HR, de -10 °C a 60 °C. Resolución de la actividad de agua: 0,001 Aw (0,1% HR) Resolución de temperatura: 0,1 º F / °c Precisión actividad del Agua: ± 0,001 Aw de Precisión de Temperatura : ± 0,1 ° F / C

Rotronic

Higrómetro

El equipo debe ser calibrado utilizando sales sobresaturadas con aw conocida.

Resumen sobre los métodos

para determinar la

aw

Método Aw recomendada Precisión Uso en alimentos Otras características

Isopiéstico 0,80 – 0,99 0,005 Cualquier alimento Barato, sencillo, recomendado para análisis de rutina

Aproximación al equilibrio 0,40 - 0,98 0,001 Azúcares, materiales higroscópicos, jaleas, queso

Barato, rápido, sencillo, útil para análisis de rutina

Interpolación gráfica Carnes, queso Barato, sencillo y rápido.

Presión de vapor 0,55 – 1,00 0,01 Alimentos sin actividad respiratoria, piezas de res, cereales, pasas.

Muestras grandes, (10 a 50 g), lento, método estándar

Termopar psicrométrico Cualquier alimento Requiere una velocidad mínima de aire, tiene problemas de condensación y transferencia

Punto de rocío 0,75 – 0,99 0,003 Cualquier alimento Costoso, rápido

Modelos predictivos de la actividad de agua en alimentos

Existe mucha información sobre la estimación de la actividad de agua y se han obtenido diversas ecuaciones con respaldo teórico o experimental y su desarrollo se ha visto favorecido por el desarrollo de la computación.

Al aplicar algún modelo debe considerarse:

• Identificar todas las características del alimento, intervalo de aw, composición componentes mayoritarios.

• Seleccionar aquellas ecuaciones que se recomiendan o han sido aplicadas para el alimento en particular.

• Determinar las ventajas del ajuste para cada uno de los modelos aplicados

Ley de Raoult

Este es el modelo más simple para predecir aw de soluciones ideales que contienen soluto de bajo peso molecular.

aw = Xw = nw/(nw + ns)

Xw _Fracción molar de agua

nw _Moles existentes de agua en 100 g de alimento.ns _Moles existentes de soluto en 100 g de alimento.

Modelo Money y Born

Este modelo fue propuesto a partir de la ecuación de Raoult para ser utilizada en la predicción de la aw de productos de confitería.

Aw = 1 – 0,27 n

n _ Representa el número de moles de azúcar en 100 g de agua.

Modelo de Grover (1947)

aw = 104 - 10Es + 0,45Es

Es = E1X1 + E2X2 + …EnXn

Componentes Valores de E

Gomas, almidones y pectinas 0,8

Sucrosa y lactosa 1,0

Azúcar invertido, gelatina y caseína 1,3

Ácido cítrico y sus sales 2,5

Glicerol 4

Cloruro de sodio 9

E_ Constante para algunos componentes comunes.X_ Concentración del componente (g/g)

Ecuación empírica para calcular aw en dulces y materiales análogos.

Ecuación de Norrish (1966)

Para calcular aw para componentes múltiples

lnaw = lnXw + KlnX2

lnaw = lnXw + [(- K10,5X1) + (K2

0,5X2) + ….]2

X_ Fracciones molares de los solutos; K_ Coeficiente binarioSoluto Valores de K

Sacarosa - 6,47

Glucosa - 2,25

Fructosa - 2,25

Sorbitol - 1,65

Azúcar invertido - 2,25

Glicerol - 1,16

(Chirife y col.,1980) (Chirife y Favetto, 1992)

Ecuación de Ross (1975)

Esta ecuación es muy útil para alimentos de humedad intermedia

aw = (aw)1(aw)2(aw)3 ….

aw_Actividad de agua de los diferentes componentes que constituyen el alimento

Aplicación de modelos predictivos de aw en algunos alimentos dulces

Producto Experimental Grover Money Born Norrish Ferro-Fontán

Jalea de uva 0,824 0,819 0,787 0,837 0,800

Mermelada de fresa

0,840 0,916 0,792 0,841 0,832

Mermelada de fresa B

0,839 0,809 0,787 0,837 0,793

Mermelada de fresa C

0,826 0,775 0,766 0,815 0,757

Mermelada de mango

0,879 0,861 0,842 0,883 0,858

Aplicación de modelos predictivos de aw

en algunos alimentos salados

Producto Experimental Grover Ross Bromley

Chorizo 0,903 0,839 0,939 0,939

Jamón serrano 0,853 0,812 0,913 0,913

Longaniza 0,669 0,714 0,875 0,889

Mole colorado 0,946 0,966 0,971 0,981

Mole poblano 0,848 0,775 0,876 0,949

Queso cotija 0,876 0,817 0,908 0,908

Salmuera 0,976 0,997 0,974 0,974

Salsa de tomate 0,945 0,967 0,954 0,984

Ejemplo de la predicción de actividad de aguaJarabe de sacarosa con 26, 5 % en peso de dicha azúcar.

aw experimental = 0,98

Base de cálculo 100 g para la composición molar

nH2O = 73,15/18 = 4,083

nsacarosa = 26,5/342 =0,078

ntotales = 4,083 + 0,078 = 4,161

Xw = 4,083/4,161 = 0,981; Xsacarosa = 0,078/4,161 = 0,019

Cálculo de aw

a) Por la ley de Raoult: aw = Xw = 0,981

b) Usando la ecuación de Norrish con valor de K = - 6,47

lnaw = ln(0,981) + (- 647(0,019)2 = - 0,0213356

aw = 0,979

Bibliografía

• Aguilera, J. Temas de tecnología de los alimentos. Vol1. CYTED. Instituto Politécnico Nacional. México.1997

• Alvarado, J y Aguilera, J. Métodos para medir propiedades físicas en industrias de alimentos. Editorial Acribía. 2001.

• Barbosa-Cánovas G.;. Juliano P. and Peleg M. Engineering properties of foods. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS).s/f