Actividad del Agua Concepto e Importancia Equinlab

A diferencia del contenido de humedad, la actividad del agua “aw” es un indicador mucho más confiable de control de “la seguridad y calidad” de los productos alimenticios, cosméticos y farmacéuticos.

Sin embargo, la importancia y el concepto de este parámetro son poco entendidos y utilizados en las industrias, por lo que seguidamente presentamos una completa revisión del concepto y su importancia como medida para el control de la calidad, la inocuidad y el tiempo de vida en los diferentes productos.

1. El Concepto
Existen dos tipos básicos de análisis de agua. El primero es el contenido de agua, el cual es una determinación cuantitativa o volumétrica de la cantidad total de agua presente en un producto. El segundo tipo mide la actividad del agua e indica la fuerza con la que el agua está ligada, estructural o químicamente, a un producto. La actividad del agua es un concepto termodinámico refiriéndose a una condición de equilibrio, describe la situación de energía del agua o el grado en que está "ligada" en el producto y por lo tanto, su habilidad de actuar como solvente y participar en reacciones químicas y bioquímicas y en el crecimiento microbiano.

En general, para determinar el contenido de agua en un material los ensayos se efectúan por medio de métodos "titrimétricos" (por ejemplo Karl Fischer) o métodos "gravimétricos" como pérdida de peso por secado.

Cuando se deshidrata un alimento, por ejemplo, no sólo se disminuye su contenido de agua sino que se disminuye la disponibilidad de esta agua. En este caso, disponibilidad se refiere a que, aunque un alimento posea una cantidad de agua, ésta puede no estar disponible para reacciones bioquímicas o microbiológicas. Una forma de expresar esta disponibilidad es mediante el término actividad de agua. Por analogía, así como el pH es un término que indica el grado de acidez de un producto, la actividad de agua "aw", es un término que se emplea para indicar la disponibilidad del agua.

2. Agua libre versus agua ligada
La actividad del agua describe la continuidad de estados de energía del agua en un sistema. El agua en un producto está "ligada" por fuerzas de variada intensidad, lo cual es muestra de la continuidad de estados de energía más que de una ligadura o enlace estático. La actividad del agua es definida algunas veces como agua "libre" o "disponible" en un sistema. Sin embargo, aunque estos términos son más fáciles de conceptualizar, no definen adecuadamente todos los aspectos del concepto de actividad del agua. Los instrumentos de medición de la "aw", por ejemplo, miden la cantidad de agua libre (a veces llamada agua "activa" o "no ligada") presente en la muestra (Ver Figura 1), Una porción del contenido total de agua presente en el producto está atada fuertemente a sitios específicos en los compuestos químicos que conforman el producto, los cuales pueden incluir grupos hidroxilo o polisacáridos, grupos carbonil y amino de las proteínas y otros sitios polares. El agua está ligada por enlaces de hidrógeno, enlaces ion-dipolo y otros enlaces químicos fuertes.

Algunas porciones de agua están ligadas con menos fuerza, pero ésta aún no está disponible (como solvente de compuestos solubles en el alimento). Muchos procesos de preservación, como la concentración y la deshidratación, buscan eliminar el deterioro disminuyendo la disponibilidad de agua a los microorganismos. Reduciendo la cantidad de agua libre (o no ligada), también se minimizan otros cambios químicos indeseables que ocurren durante el almacenaje de los productos. La congelación es otra forma de preservación ya que el agua en los productos congelados está en forma de cristales de hielo y por lo tanto no disponible para los microorganismos. Debido a que el agua está presente en estados libre y ligada, en varios grados, los métodos analíticos que intentan medir el contenido de humedad total en una muestra no siempre coinciden. La actividad de agua sí da un valor real.

3. Definición de aw

Se denomina actividad de agua a la relación entre la presión de vapor de agua del substrato de cultivo (P) y la presión de vapor de agua del agua pura (P0), ambos permaneciendo a una misma temperatura:

aw = P / Po

De manera práctica, esto es la humedad relativa del aire en equilibrio con una muestra contenida en una cámara sellada de medición. Multiplicando la "aw" por 100 se obtiene la humedad relativa de equilibrio (HRE) de la atmósfera en equilibrio con el producto.

HRE = aw x 100

La "aw" depende de la temperatura (Ver Figura 2), La temperatura modifica el valor de la "aw" como consecuencia de los cambios en la unión y la disociación del agua, la solubilidad de solutos en el agua, o el estado de la matriz. Y aunque la solubilidad de solutos puede emplearse como un factor de control, por lo general el control procede del estado de la matriz (por ejemplo, estado gomoso frente a vidrioso), ya que éste a su vez es función de la temperatura. Además, la dependencia de la "aw" de la temperatura varía entre productos. Algunas sustancias incrementan su valor de "aw" al aumentar la temperatura mientras que en otras se produce un descenso con el mismo incremento. La mayoría de los alimentos con un elevado contenido de humedad experimentan un cambio insignificante con la temperatura. Por lo tanto, no se puede predecir, ni tan solo la dirección del cambio de la "aw" con la temperatura, ya que depende de cómo la temperatura afecta a los factores que controlan la "aw" del producto.

4. Actividad del Agua y Contenido de Agua
Las células, los tejidos biológicos, y por tanto los productos alimenticios, no son soluciones homogéneas. La relación entre actividad del agua y contenido de agua es compleja y, como se indicó anteriormente, son dos conceptos y valores diferentes. Un incremento en la "aw" está generalmente acompañado de un incremento en el contenido de agua, pero no en una forma lineal. La relación entre la "aw" y el contenido de agua a una temperatura dada se ilustra gráficamente en las llamadas isotermas de sorción (Ver Figura 3), las cuales se determinan experimentalmente. Para la mayoría de los alimentos, estas curvas tienen forma sigmoidal, aunque en productos que contienen cantidades grandes de azúcares o pequeñas moléculas solubles, tienen forma de J. Una isoterma preparada por adsorción, (empezando desde el estado seco), no tendrá necesariamente la misma forma que la isoterma preparada por desorción (empezando desde el estado húmedo). Este fenómeno de valores diferentes de aw contra valores de contenido de humedad por ambos métodos es llamado histéresis y es exhibido por muchos alimentos.

5. Agua y microorganismos
El agua es el solvente en donde ocurren las reacciones químicas y enzimáticas de la célula y es indispensable para el desarrollo de los microorganismos. Esto lo convierte en el factor individual que más influye en la alterabilidad de los alimentos, los productos farmacéuticos y cosméticos. El agua influye en el color, apariencia, olor, sabor, textura, gusto y vida útil de un alimento, ingrediente o aditivo; y se ha demostrado que productos con el mismo contenido de humedad se alteran de forma distinta, por lo que se deduce que la cantidad de agua no es por sí sola una herramienta indicativa del deterioro.

De este hecho surge el concepto de actividad de agua "aw", que indica la fracción del contenido de humedad total de un producto que está libre (no ligada químicamente), y en consecuencia, disponible para el crecimiento de microorganismos y para que se puedan llevar a cabo diversas reacciones químicas que afectan a su estabilidad.

Variaciones en la actividad de agua pueden afectar la tasa de crecimiento, la composición celular y la actividad metabólica de la bacteria, debido a que si no disponen de suficiente cantidad de agua libre (no asociada a solutos, etc) en el medio necesitarán realizar más trabajo para obtenerla y disminuirá el rendimiento del crecimiento.

6. Como manejar la aw
Debido a que hongos, levaduras y bacterias requieren cierta cantidad de agua disponible para crecer, al igual que muchas reacciones químicas y bioquímicas para ocurrir, su desarrollo puede limitarse con la reducción de este agua. Una forma de lograr este objetivo es a través de los procesos térmicos severos, los cuales usan además las propiedades letales del calor, mientras que procesos como la deshidratación o la liofilización trabajan sólo por disminución de la aw. Otro método involucra la ligadura del agua libre por la adición de solutos, usualmente azúcares o cloruro de sodio. Esto crea un desbalance en la presión osmótica, con lo cual se extrae agua de las células y tejidos. El desarrollo de productos encuentra nuevos retos para mantener niveles suficientemente bajos de "aw" con el uso de los sustitutos de grasa disponibles hoy en día. La grasa, la cual no contribuye agua libre, es reemplazada con agua o un gel para proveer lubricación.Estos geles no reducen la aw, por lo que se requieren métodos adicionales de control para prevenir el deterioro. Cuando una sustancia es agregada a un producto para reducir la aw, el resultado puede ser complicado.

Idealmente, la sustancia debe reducir la aw sin ningún otro efecto como el incremento en la fuerza iónica y/o la disminución de la tensión superficial, por lo que la adecuada selección de dicha sustancia es muy importante. Por ejemplo, se puede agregar sal a una mezcla y azúcar a otra, controlando las cantidades de tal forma que los compuestos resultantes tengan igual valor de actividad del agua. Los resultados o reacciones pueden ser diferentes, sin embargo, debido a que cada sustancia tendrá efectos diferentes sobre las reacciones biológicas correspondientes. La "aw" debe considerarse un parámetro externo como el pH o la temperatura, y como tal, bajo ciertas condiciones, podrá ejercer un efecto sinérgico con otros parámetros ambientales.

7. ¿Por que es importante?
Para muchos productos la actividad del agua es una propiedad muy importante. Por ejemplo en los alimentos permite predecir la estabilidad con respecto a sus propiedades físicas, la velocidad de las reacciones de deterioro y el crecimiento microbiano, influenciando en la fecha de vencimiento, el color, olor, sabor y consistencia de los mismos. La Figura 4 representa un mapa general de la estabilidad de los alimentos en función de la actividad del agua, ilustrando el comportamiento de las distintas reacciones de deterioro y crecimiento microbiano en los mismos. Se observa que la habilidad del agua para actuar como solvente, medio o reactante se incrementa al incrementarse la actividad del agua. Con la determinación de la actividad del agua de los alimentos es posible predecir qué microorganismos pueden causar deterioro y enfermedades, por lo que se considera una importante propiedad desde el punto de vista de inocuidad alimentaria. La actividad del agua puede además jugar un papel clave en la actividad enzimática y vitamínica en los alimentos, así como en propiedades físicas como la textura y el tiempo de vencimiento de los mismos.

Su utilidad e importancia como medida de la calidad y la inocuidad de los alimentos fue reconocida cuando resultó obvio que el contenido de humedad no reflejaba exactamente las fluctuaciones en el crecimiento microbiano. El concepto de "aw" ha servido al microbiólogo y al tecnólogo en alimentos durante dos décadas como el criterio de calidad e inocuidad más exacto y utilizado.

7.1 Crecimiento microbiano
La "aw" es un factor crítico que determina la vida útil de los productos. Este parámetro establece el límite para el desarrollo de muchos microorganismos, mientras que otros parámetros como temperatura, pH o contenido en azúcares, generalmente influyen en la velocidad de crecimiento.

La "aw" más baja para el crecimiento de la mayoría de las bacterias que producen deterioro en alimentos está alrededor de 0,90. La "aw" para el crecimiento de hongos y levaduras está próxima a 0,61. El crecimiento de hongos micotoxigénicos se produce con valores de "aw" cercanos a 0,78.

7.2 Control de la migración de humedad
Algunos alimentos contienen componentes con distintos niveles de "aw", como dulces con relleno de crema o cereales con frutas secas. Los cambios de textura no son deseables, y se suelen producir como resultado de la migración de humedad entre los multi-componentes. La humedad migrará desde la región de "aw" alta a la región de "aw" más baja, así por ejemplo, la humedad que migre desde una fruta seca de mayor "aw" al cereal de menos "aw" causará que la fruta se torne dura y seca mientras que el cereal se tornará blando.

7.3 Propiedades Físicas
La "aw" también está relacionada con la textura de los alimentos. Los alimentos con una aw elevada tienen una textura más jugosa, tierna y masticable. Cuando la "aw" de estos productos disminuye, aparecen atributos de textura indeseables como dureza, sequedad y endurecimiento. En cambio, los alimentos con una aw baja son crujientes y quebradizos; si su "aw" aumenta, la textura cambia, produciéndose el reblandecimiento del producto. La "aw" también afecta a otras propiedades como la agrupación y aglutinación de productos en polvo y granulados.

8. Medición de la Actividad del Agua
La actividad de agua de un producto puede determinarse a partir de la humedad relativa del aire alrededor de la muestra cuando el aire y la muestra alcanzan el equilibrio. Por lo tanto, la muestra debe colocarse en un espacio cerrado, en donde dicho equilibrio ocurrirá (Ver Figura 5). Cuando esto ocurre, la actividad del agua de la muestra y la humedad relativa del aire son iguales; la medición realizada en el equilibrio se llama humedad relativa en equilibrio (HRE).

9. NOVASINA y la actividad del agua "aw" La exclusiva celda electrolítica resistiva "Novalyte"
Desde hace más de 30 años, Novasina es el líder en la producción de instrumentos de precisión para la medida de actividad acuosa "aw" en productos de la industria agroalimentaria, farmacéutica, cosmética y nutracéutica.

Como resultado de la experiencia de décadas en el desarrollo de tecnologías de sensores, los equipos gracias a su exclusiva celda electrolítica resistiva "Novalyte" (Ver Figura 6), única en el mundo, ofrecen la posibilidad de efectuar mediciones directas del valor "aw" con una muy alta exactitud, una excelente respetabilidad prácticamente libre de histéresis, contando además con una impecable robustez e insuperable estabilidad a largo plazo.

En la celda electrolítica resistiva, un desarrollo de hace casi 50 años , su resistencia varía en gran medida con los cambios de humedad. Gracias a esto, se puede utilizar incluso con cables de gran extensión entre el sensor y el transmisor, permitiéndonos poder realizar además mediciones prácticamente libres de histéresis.
La celda "Novalyte" está protegida frente a la saturación, por lo tanto mediciones precisas hasta 1.00aw (100% de humedad relativa) están garantizadas. En gases muy secos, el electrolito se seca, esto es un proceso reversible y que no afecta a la celda. Se pueden obtener mediciones precisas incluso por debajo de 0.03aw (3% reh), lo suficientemente bajo como para productos alimenticios y farmacéuticos en polvo muy secos.

Esta tecnología está aplicada en la nueva generación de medidores de actividad del agua (aw) LabMaster-aw y LabPartner-aw que se destacan por su gran precisión, rapidez de medida, repetibilidad, robustez y modularidad.

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