Actividad Acuosa y Los Alimentos

Universidad Nacional de Catamarca Tecnología de los Alimentos Facultad de Cs. Exactas y Naturales Departamento de Química

Prof. y Lic. José Lobo Gómez

EL AGUA Y LOS ALIMENTOS El agua es el componente mayoritario de los alimentos, llegando a formar el 90% en alimentos tales como la leche, frutas y hortalizas. El contenido de agua en los alimentos influye tanto sus propiedades organolépticas y de textura, así como también en su estabilidad. El agua contenida en un alimento es responsable en gran medida de las reacciones químicas, enzimáticas y microbiológicas, que son las tres principales causas del deterioro del mismo. El término contenido de agua en un alimento se refiere, en general, a toda el agua de manera global. En los tejidos animal y vegetal, el agua no está uniformemente distribuida debido a los complejos hidratados que se establecen con proteínas, hidratos de carbono, lípidos y otros constituyentes. En general, el contenido de humedad de un alimento se refiere a toda el agua en forma global, sin considerar que en la mayoría de los productos existen zonas o regiones microscópicas que debido a una alta acumulación de lípidos no permiten su presencia y la obligan a distribuirse en forma heterogénea. Esta situación hace que existan diferentes estados energéticos y de comportamiento fisicoquímico de las moléculas de agua. Es decir, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades, y esto se puede comprobar fácilmente por las diversas temperaturas de congelamiento que se llegan a observar; generalmente un alimento se congela a –20ºC, pero en estas condiciones una fracción del agua permanece líquida y requiere de temperaturas más bajas, por ejemplo –40ºC, para solidifique. Este tipo de consideraciones ha llevado a que tradicionalmente se empleen términos como “agua ligada” y “agua libre”, para referirse a la forma y el estado energético que dicho líquido guarda en un alimento. Aunque en realidad no hay una definición precisa para cada una de estas fracciones, se considera que el agua ligada es aquella porción que no se congela en las condiciones normales de congelamiento a –20ºC. Por otra parte, el agua libre es la que se volatiliza fácilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la actividad acuosa. Por lo tanto se distinguen agua libre y ligada, la primera sería la única disponible para el crecimiento de los microorganismos o para intervenir en las transformaciones hidrolíticas, químicas, enzimáticos, etc., puesto que la segunda está unida a la superficie sólidas y no puede intervenir en estos procesos. Es decir, bajo este esquema sólo una parte del agua es capaz de propiciar estos cambios. ACTIVIDAD ACUOSA La actividad del agua (aw) es considerada la propiedad más importante del agua en un sistema alimenticio. Se ha demostrado que alimentos con el mismo contenido de agua 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 los alimentos. De este hecho surge el concepto de aw, que indica la fracción del contenido de humedad total de un producto que está libre, 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. A través de la historia el hombre se ha reconocido la importancia de controlar el agua en los alimentos, para lo cual ha utilizado el secado, el congelado o la adición de sales y azúcares con fines de preservación de los mismos. Existen dos tipos básicos de análisis de agua. El primero es el contenido de agua, el cual es una determinación cuantitativa de la cantidad total de agua presente en un alimento. El segundo tipo mide la actividad del agua e indica la fuerza con la que el agua está atada, estructural o químicamente, a un alimento. 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 “atada ” en un producto alimenticio y, por lo tanto, su habilidad de actuar como solvente y participar en reacciones bioquímicas y en el crecimiento microbiano. 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, esta 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 alimento, la actividad de agua aw, es un término que se emplea para indicar la disponibilidad del agua. La actividad del agua se representa como la relación entre la presión de vapor del aire alrededor de un alimento (p) y la presión de vapor del agua pura (po), ambos permaneciendo a una misma temperatura. 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 de la atmósfera en equilibrio con el alimento. Estas ecuaciones se representan así: aw = p/po = %HR/100, con un máximo valor de 1.

10000

HR

p

p

f

faw ===

Donde: f = fugacidad en un determinado estado a temperatura T fº = fugacidad en un estado estándar a T HR = humedad relativa P = presión de vapor del agua del alimento a T Po = presión de vapor del agua pura a T La fugacidad es una medida de la tendencia de una sustancia a escaparse; en virtud de que el vapor de agua se comporta aproximadamente como un gas ideal, se puede emplear la presión de vapor en lugar de la fugacidad. La escala de medición e este parámetro es de cero (un producto absolutamente seco) a uno (agua pura), mientras que para la humedad relativa es de 0 a 100%. Cuando se disuelven otras sustancias en agua pura, el valor de la aw disminuye; lo mismo sucede cuando a un alimento se le retira parte del agua. Si esta disminución es en un porcentaje elevado, el alimento adquiere un valor de aw relativamente bajo y se le podrá denominar alimento de humedad intermedia. Aunque el concepto de actividad del agua sólo se aplica a sistemas en equilibrio, y la mayoría de productos alimenticios no son sistemas en equilibrio, su aplicación en el marco de tiempo experimental y de estimación de vida de estante es una herramienta útil. 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, son dos conceptos y valores diferentes. La aw 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, por ello, los alimentos con una aw baja son crujientes y quebradizos; sí 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. 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.



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 (Figura Nº 1), las cuales se determinan experimentalmente. Para entender mejor la grafica, considérese un material orgánico hidratado y almacenado a una temperatura constante en una cámara cerrada; al cabo de algún tiempo, su presión de vapor correspondiente provocara que haya transferencia de moléculas de agua y la cámara adquiriría una humedad relativa constante que estará en equilibrio con el contenido de agua del material; es decir, no hay movimiento de humedad en ningún sentido. Dicha humedad estará en función del grado de interacción de los solutos con el agua y se refleja en la facilidad de esta para escapar del alimento. En este experimento se tendría un par de valores, de humedad relativa vs. contenido de agua, a una temperatura determinada; si esto se repite muchas veces con diferentes contenidos de humedad, y los resultados se grafican, se obtendría la isoterma de desorcion (deshidratación del sólido). Por lo contrario, si ahora se parte de un producto seco y somete a atmósferas de humedad relativa, se observara, una transferencia de masa del gas al sólido hasta llegar a un equilibrio; al repetir este experimento con diferentes humedades, se tendrán nuevamente pares de valores que al graficarse crean la isoterma de adsorción; ambas curvas se representan en la figura N° 1.

Figura Nº 1: Isotermas de adsorción y desorción

Fuente: Ciencia Bromatológica de Bello Gutiérrez 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. En las dos isotermas descriptas anteriormente, se observa que para un contenido de humedad constante la actividad de agua es menor durante la desorción que en la adsorción, o que a una determinada aw, la humedad es mayor en el secado que en la hidratación. Para entender mejor la histéresis, considérese como ejemplo una proteína hidratada que se seca en una atmósfera de humedad relativa de 34% y alcanza el equilibrio a un contenido de 10% de agua (curva de desorción); por otra parte, si la misma proteína completamente deshidratada se coloca en dicha atmósfera, adsorbe humedad y llega al equilibrio con un contenido de sólo 7% de agua. Esto se debe a que en el secado se propician daños térmicos que alteran los grupos polares (hidroxilos, aminas, carbonilos, etc.) y como dichos grupos ya no están disponibles la capacidad de rehidratación se reduce.



Las isotermas de adsorción tienen una forma de S alargada que para efectos de estudio se ha dividido en las zonas A, B y C A- La primera sección en la cual la aw está comprendida 0-0,25, corresponde al agua fuertemente ligada, en esa región hay una capa monomolecular BET de agua fijada a los grupos polares de ciertos compuestos como NH3

+, COO- de las proteínas y de los OH de los almidones. Esta agua es difícil de eliminar en procesos como el secado; se puede reducir parcialmente en la deshidratación, pero no es recomendable ya se requiere mucha energía y se daña el alimento, su presencia ejerce un efecto protector, por ejemplo en las reacciones de oxidación de lípidos, porque actúa como barrera del oxigeno. B- En la sección cuya aw es de 0,25-0,75, las moléculas de agua están con movilidad restringida y un punto de congelación disminuido. C- En la sección de aw de 0,8 a 0,99 se encuentra el agua libre, la cual representa la mayor parte del agua de los alimentos frescos. Es fácil de congelar y de evaporar. La actividad del agua describe la continuidad de estados de energía del agua en un sistema. El agua en un producto está “atada” por fuerzas de variada intensidad, lo cual es muestra de la continuidad de estados de energía más que de una atadura 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 presente en la muestra. Una porción del contenido total de agua presente en el producto está atada fuertemente en los compuestos químicos que conforman el producto, los cuales pueden incluir grupos hidroxilo o polisacáridos, grupos COO- y NH3

+ de las proteínas y otros sitios polares. El agua está atada por enlaces de hidrógeno, enlaces ión-dipolo y otros enlaces químicos fuertes. Algunas porciones de agua están atadas con menos fuerza, pero esta 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 atada), también se minimizan otros cambios químicos indeseables que ocurren durante el almacenaje de los productos. Debido a que el agua está presente en estado libre y atada, 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. Las isotermas se obtienen a temperatura constante y en la figura Nº 2 puede observarse las isotermas a varias temperaturas. En la misma puede observarse que un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de aw para un mismo contenido de humedad, debido a que aumenta la presión de vapor; esta tendencia se da en la mayoría de los alimentos.

Figura Nº 2: Isotermas a diferentes temperaturas



La aw, la temperatura, el pH y el oxigeno son los factores que más influyen en la estabilidad de los alimentos. Muchas reacciones químicas y enzimáticas se favorecen con el aumento de aw, puesto que el agua propicia la movilidad del sustrato y de los productos y participa en las transformaciones hidrolíticas. En la figura Nº 3 muestra 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 o medio se incrementa al incrementarse la actividad del agua.

Figura Nº 3: Estabilidad de los alimentos en función de Aw

Oxidación de lípidos : Se da como resultado de la acción del oxígeno sobre los ácidos grasos no saturados produciendo una un deterioro de alimentos. La velocidad de oxidación de lípidos será mínima cuando la aw este entre 0,2 a 0,35. Una disminución de aw provocara una eliminación del agua monocapa que actúa como barrera protectora, quedando expuesto los lípidos a la acción del oxigeno haciéndolos susceptible a la oxidación. Por el contrario valores más altos de este rango también aumenta la velocidad de oxidación de lípidos y también se producen otros procesos de deterioro. Oscurecimiento no enzimático: El pardeamiento no enzimático aumenta con la aw alcanzando su velocidad máxima de desarrollo en valores que rondan 0,5 a 0,7 de aw, rango por sobre el cual la velocidad disminuye debido a que el agua es un producto de la reacción de pardeamiento no enzimático, y por lo tanto se produce un efecto inhibidor por acción de la ley de masas. Actividad enzimática: El deterioro por reacciones enzimáticas se debe a las enzimas que pueden ser constituyentes normales de los alimentos y comienza a manifestarse a partir de valores de 0,2 de aw, aumentando considerablemente cuando se superan valores de 0,7 de aw. En este tipo de reacción, el agua cumple el papel de disolvente y medio de difusión de los reactivos. Desarrollo de microorganismos: Es evidente que los alimentos frescos con una elevada aw son los más expuestos a la proliferación de microorganismos, por lo que la aw tiene una gran influencia en el crecimiento de microorganismos. El crecimiento de microorganismos se encuentra relacionado con la aw debido a la presión osmótica que posee el medio y que permite el intercambio a través de las membranas. Cada microorganismo posee un valor de aw límite aproximado para su proliferación, debajo del cual se encuentra inhibida la misma y por sobre dicho valor se efectúa una proliferación, en general, a mayor velocidad cuando mayor sea el valor de aw. Generalizando dichos valores de inhibición de la proliferación de microorganismos, podemos mencionar que para bacterias se encuentra entre 0,85-0,90 de aw, para levaduras 0,88 de aw,



para hongos 0,80 de aw y para mohos 0,70 de aw aproximadamente, tomando 0,60 como limite absoluto para el crecimiento microbiano (debemos recordar además la influencia de otros factores importantes en la proliferación de microorganismos como ser la composición del medio, pH, presión de oxigeno, presencia de conservadores, etc.). DETERMINACIÓN DE LAS CURVAS DE ADSORCIÓN Y DE DESOR CIÓN Prácticamente la isoterma de adsorción de un producto representa la cinética con la que adsorbe la humedad del medio que la rodea y con la que se hidrata; es muy importante conocer esto ya que, por ejemplo, refleja el comportamiento de la leche deshidratada almacenada en atmósferas húmedas; de manera semejante, la isoterma de desorción equivale al proceso de deshidratación. Por estas razones, es muy importante conocer estas curvas, ya que con base en ellas se pueden estructurar sistemas de almacenamiento, secado, rehidratación, etc., y determinar la estabilidad de un gran número de alimentos. Para su elaboración es preciso calcular el contenido de humedad y la actividad acuosa; para lo primero se utilizan los métodos tradicionales y conocidos; y para la aw se pueden emplear diferentes sistemas basados en las mediciones manométricas de la presión de vapor, de la temperatura de rocío, el abatimiento del punto de congelamiento etc., o con los higrómetros equipos que últimamente se han usado mucho. El empleo de dichos higrómetros resulta muy simple; el alimento se coloca en una cámara cerrada y la determinación se hace en el espacio de cabeza mediante diversos tipos de potenciómetros en los cuales se utilizan compuestos químicos giroscópicos como cloruro de litio, o una resina de intercambio iónico, cuyas conductividades eléctricas cambia con la humedad relativa generada por la muestra. En los laboratorios que no cuentan con estos instrumentos, las isotermas de adsorción y de desorción se determinan gravimétricamente; para esto, se colocan muestras del alimento en distintas cámaras cerradas en cuyo interior se generan atmósferas con una humedad relativa conocida y estable. De esta forma, al alcanzar el equilibrio con la humedad del aire, se determina el contenido de agua del alimento con lo que se obtiene un par de valores que se pueden graficar; la operación se repite con tantas humedades como se considere necesario. Dichas atmósferas de humedad constante se logran con el empleo de soluciones saturadas de algunas sales que generan HR conocidas; por ejemplo, la del NaCi produce HR = 75% en el espacio de cabeza del recipiente en que se encuentre; del igual manera, las disoluciones de K2CO3, NaNO2, KCI y K2SO4, generan HR de 43%, 65%, 85% y 97%, respectivamente; es decir, cada compuesto tiene la capacidad de reducir la aa de manera diferente. Con estas consideraciones, cuando se desea obtener la curva de adsorción se utiliza el alimento seco con soluciones salinas de HR altas, y cuando se quiere determinar la de desorción, se usa el alimento húmedo con HR bajas. REDUCCIÓN DE AW EN LOS ALIMENTOS Debido a que hongos, levaduras y bacterias requieren cierta cantidad de agua disponible para crecer, al igual que para que se lleven a cabo muchas reacciones químicas y bioquímicas necesitan de la misma. Su desarrollo puede limitarse con la reducción de esta agua. Una forma de lograr este objetivo es a través de la eliminación de agua mediante la deshidratación o liofilización , lo que disminuye la aw debido a un fenómeno de adsorción de agua por los grupos polares, los cuales ligan el agua y reducen su presión de vapor. Otro método involucra la atadura 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. Pero cuando una sustancia es agregada a un producto para reducir la aw, el resultado puede ser complicado. Idealmente, el soluto debe reducir la aw sin ningún otro efecto, por lo que la adecuada selección del mismo es muy importante. El uso de solutos para bajar la aw estará determinada por el tipo y la concentración del soluto disuelto.



En promedio, los iones enlazan la mayor cantidad de agua, mientras que los que los azúcares lo hacen en menor medida. Por ello a una misma concentración molecular, la sal reduce la actividad del agua más que el azúcar. También la congelación se emplea para disminuir la aw, ya que el agua en los productos congelados está en forma de cristales de hielo y por lo tanto no disponible para los microorganismos IMPORTANCIA DE LA ACTIVIDAD ACUOSA Para muchos productos alimenticios la actividad del agua es una propiedad muy importante. Predice la estabilidad de los alimentos con respecto a sus propiedades físicas, la velocidad de las reacciones de deterioro y el crecimiento microbiano, influenciando en el color, olor, sabor y consistencia de los mismos. Con la determinación de la aw 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 alimentaría. El control de la aw es también una forma importante de mantener la estabilidad química de los alimentos. Cuanto mas cercano a cero es el valor de aw, menos disponible esta el agua para las bacterias y mayor es el tiempo que durara el alimento sin deteriorarse. La mayoría de los alimentos frescos tienen valores de aw cercano a 1. 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 textura y vida en estante 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. La mayoría de bacterias, por ejemplo, no crecen a actividades de agua por debajo de 0,90, y la mayoría de mohos y levaduras dejan de crecer en valores por debajo de 0,6.

aw mínima para el crecimiento de microorganismos Bacterias 0,94 Clostridium botulinun A, B 0,95 Salmonella spp 0,95 Escherichia coli 0,93 Bacilus cereus Hongos 0,83 Penicillum expansum 0,77 Aspergillus niger Levaduras 0,9 Saccharomyces cervisiae 0,62 Saccharomyces rouxii

BIBLIOGRAFÍA Bello Gutiérrez, José. 2000. Ciencia Bromatológica. Editorial Diaz de Santos Badui, S. 1986. Química de los Alimentos. Edit. Alhambra. México, D.F. Yúfera, Eduardo Primo. 1998. Química de los Alimentos. Editorial Síntesis, S.A. Madrid (España).

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