ACTIVIDAD DE AGUA EN LOS ALIMENTOS

Dr.C. Aldo HernndezInstituto de Farmacia y Alimentos

Universidad de La Habana

Es un componente importante de los alimentos.

Contribuye a la estructura y textura y su interaccin con otros componentes determina la estabilidad relativa durante el almacenamiento. Es un factor importante en el deterioro de alimentos por el papel que desempea en diferentes reacciones qumicas y enzimticas as como en el desarrollo microbiano.

El agua

Durante muchos aos se pens que el mecanismo de conservacin de los alimentos era la reduccin del contenido de humedad, la deshidratacin de alimentos es una de las formas ms antiguas de conservacin.

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

El agua y la conservacin de los alimentos

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

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

El almidn de papa es estable hasta con un 20 % de humedad. Lo ms importante no es el contenido de agua si no la disponibilidad que sta 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 prdida de humedad, crecimiento de microorganismos, cintica de reacciones deteriorativas de los nutrientes, cambios en sabor, aroma, textura, estabilidad y conservacin en general.

La actividad de agua

Concepto de actividad de agua (aw)Se parte del concepto termodinmico de Energa libre de Gibbs:

G = H TS = E + PV TS

dG = dH TdS = VdP SdT

En sistema de varios componentes, las especies qumicas pueden ser ganadas o prdidas, la energa libre (G) est en funcin no solo de la temperatura (T) y la presin (P), si no del nmero de moles del componente (i)(ni)

dG = VdP SdT + in[dG/dni]T,P,ndni

Concepto de actividad de agua (aw)En la anterior ecuacin se incluye el trmino potencial qumico del componente (i) o energa libre parcial molar.

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

vapor = alimento

w + RTln fw = w + RTln awPor lo tanto, la actividad de agua (aw) representa el potencial qumico relativo al agua en el alimento y constituye el control bsico en la conservacin de alimentos.

Concepto de actividad de agua (aw)

Desde el punto de vista termodinmico aw quedara:

aw = e[w - w/RT]

Cuanto ms pequeo sea el potencial qumico en un alimento, ms pequea ser la fuerza impulsora para las reacciones qumicas del agua.

Esta ecuacin no se utiliza, esta propiedad se expresa en funcin de la presin de vapor de agua del alimento (pw) y la del agua pura (pw) o en funcin de las humedades relativas.

Concepto de actividad de agua (aw)

aw =pw/pw aw = %(HR)/100 = % (HRE)/100

HR- Humedad relativa

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

1. Se refiere a un estado de equilibrio verdadero2. Est definida a una temperatura especfica y presin total3. El estado de referencia debe ser claramente especificado

Presin Parcial (Pvf)La presin ejercida por las molculas de una sustancia en una mezcla gaseosa. Presin de Vapor (Pw) La presin ejercida por el vapor de agua cuando el lquido y el vapor estn en su equilibrio

Presin parcial y presin de vapor

N2 + O2 +H2O

PT = PO + PN +PHA presin 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 adsorcin y desorcin de agua

I II III

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

Actividad de agua y las reacciones deteriorativasIntervalo de actividad de agua

Tipo de reaccin deteriorativa predominante

Tipo posible de reaccin deteriorativa

1 0,80 Crecimiento de microorganismos

Reacciones enzimticas

1 0,91 Bacterias

1 0,88 Levaduras

1 0,80 Mohos

0,80 0,65 Reacciones enzimticas (descomposicin de grasas y oscurecimiento)

Oscurecimiento no enzimtico

0,80 0,70 Crecimiento de microorganismos (bacterias halfilicas

0,80 0,65 Moho xeroflicos

0,65 0,3 Oscurecimiento no enzimtico (Maillard)

Reacciones enzimticas, auto oxidacin

0,3 0,0 Autooxidacin, cambios fsicos

Reacciones de decoloracin no enzimtica, reacciones enzim-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 concentradosAlimentos de humedad intermedia (0,65 < aw < 0,95)

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

Clasificacin de los alimentos en base al valor de la aw

Limites mximos de aw en alimentos

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

Los esfuerzos en esta lnea requieren el establecimiento de mtodos seguros y precisos para la determinacin o el clculo de la actividad de agua en los alimentos

Mtodos para la determinacin de la actividad de agua

Existe una gran variedad de mtodos, la seleccin depender de los costos, intervalos de aw, exactitud, rapidez del mtodo, calibracin y mantenimiento de cada equipo.

Se clasifican atendiendo al principio que utilicen para la medicin.

Clasificacin de los mtodos de medicin aw

Mtodos isopiticos (a presin constante) Mtodos de intervalo Mtodo de interpolacin grfica Mtodo dinmico de interpolacin Mtodos basados en las propiedades coligativas

del agua Mtodos psicromtricos Mtodos higromtricos Isotermas de sorcin Mtodos gravimtricos Mtodos manaomtricos/higromtricos

Mtodos isopiticos (a presin constante)

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

Muestras

Recipiente cerrado

Solucin salina saturada

Procedimiento:

Preparacin de la muestra, bien dividida

Colocar cantidad de muestra conocida en pesafiltros

Los pesafiltros se pesan peridicamente hasta que no haya variacin 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 determinacin aw

Sal Temperatura C5 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

Mtodo 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.

Despus de 24 horas se determina que tiras estn hmedas.

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

Ejemplo: 0,25 < aw < 084

Mtodo de interpolacin grficaLa ganancia o prdida de agua de la muestra se representa grficamente, 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 solucin)

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 grfico de ganancia o prdida de agua ( peso Vs aw de soluciones salinas), se traza una lnea que una todos los puntos y se determina aw

Mtodos psicromtricos

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

El de punto de roco, en el que la formacin de roco es detectada fotoelctricamente u ptimamente dependiendo del tipo de equipo. Como ventaja que la medicin se puede hacer a cualquier temperatura.

Termopar psicromtrico, se fundamente en la disminucin de la temperatura de bulbo hmedo. El enfriamiento ocasionado a la muestra hace que el agua se condense sobre el termopar, la velocidad de evaporacin de dicha agua est en funcin 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 operacin: 0 a 99 % HR, de -10 C a 60 C. Resolucin de la actividad de agua: 0,001 Aw (0,1% HR) Resolucin de temperatura: 0,1 F / c Precisin actividad del Agua: 0,001 Aw de Precisin de Temperatura : 0,1 F / C

Rotronic

Higrmetro

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

Resumen sobre los mtodos

para determinar la

aw

Mtodo Aw recomendada Precisin Uso en alimentos Otras caractersticas

Isopistico 0,80 0,99 0,005 Cualquier alimento Barato, sencillo, recomendado para anlisis de rutina

Aproximacin al equilibrio 0,40 - 0,98 0,001 Azcares, materiales higroscpicos, jaleas, queso

Barato, rpido, sencillo, til para anlisis de rutina

Interpolacin grfica Carnes, queso Barato, sencillo y rpido.

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

Muestras grandes, (10 a 50 g), lento, mtodo estndar

Termopar psicromtrico Cualquier alimento Requiere una velocidad mnima de aire, tiene problemas de condensacin y transferencia

Punto de roco 0,75 0,99 0,003 Cualquier alimento Costoso, rpido

Modelos predictivos de la actividad de agua en alimentos

Existe mucha informacin sobre la estimacin de la actividad de agua y se han obtenido diversas ecuaciones con respaldo terico o experimental y su desarrollo se ha visto favorecido por el desarrollo de la computacin.

Al aplicar algn modelo debe considerarse:

Identificar todas las caractersticas del alimento, intervalo de aw, composicin 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 ms simple para predecir aw de soluciones ideales que contienen soluto de bajo peso molecular.

aw = Xw = nw/(nw + ns)

Xw _Fraccin 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 ecuacin de Raoult para ser utilizada en la prediccin de la aw de productos de confitera.

Aw = 1 0,27 n

n _ Representa el nmero de moles de azcar 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

Azcar invertido, gelatina y casena 1,3

cido ctrico y sus sales 2,5

Glicerol 4

Cloruro de sodio 9

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

Ecuacin emprica para calcular aw en dulces y materiales anlogos.

Ecuacin de Norrish (1966)Para calcular aw para componentes mltiples

lnaw = lnXw + KlnX2

lnaw = lnXw + [(- K10,5X1) + (K20,5X2) + .]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

Azcar invertido - 2,25

Glicerol - 1,16

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

Ecuacin de Ross (1975)

Esta ecuacin es muy til para alimentos de humedad intermedia

aw = (aw)1(aw)2(aw)3 .

aw_Actividad de agua de los diferentes componentes que constituyen el alimento

Aplicacin de modelos predictivos de aw en algunos alimentos dulces

Producto Experimental Grover Money Born Norrish Ferro-Fontn

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

Aplicacin de modelos predictivos de aw en algunos alimentos salados

Producto Experimental Grover Ross Bromley

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

Jamn 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 prediccin de actividad de aguaJarabe de sacarosa con 26, 5 % en peso de dicha azcar.

aw experimental = 0,98

Base de clculo 100 g para la composicin 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

Clculo de aw

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

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

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

aw = 0,979

Bibliografa

Aguilera, J. Temas de tecnologa de los alimentos. Vol1. CYTED. Instituto Politcnico Nacional. Mxico.1997

Alvarado, J y Aguilera, J. Mtodos para medir propiedades fsicas en industrias de alimentos. Editorial Acriba. 2001.

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

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