El documento describe cómo la actividad del agua (Aw) influye en la estabilidad química y microbiológica de los alimentos. Define Aw como la relación entre la presión de vapor del agua en un alimento y la del agua pura a la misma temperatura. Explica cómo factores como la composición, estructura, temperatura y humedad afectan las isotermas de adsorción y desorción de un alimento y su Aw. Finalmente, detalla cómo diferentes valores de Aw afectan procesos químicos, físicos y microbiológicos en los

1. Actividad del agua La cantidad de agua de un alimento tendrá obviamente una gran influencia en su estabilidad química y microbiológica. Aunque esto se conoce desde hace siglos y aunque la desecación sea uno de los sistemas más antiguos de conservación de alimentos, se avanzó muy poco en el conocimiento de los fundamentos de la conservación mientras la atención se dirigió al contenido acuoso de los alimentos desecados. Se comprobó que el contenido acuoso
límite
(esto es el máximo contenido de agua al que no tenía lugar el crecimiento microbiano) variaba mucho de unos alimentos desecados tradicionales a otros: huevos en polvo (10-11%); harina de trigo (13-15%); carne desgrasada deshidratada (15%); hortalizas deshidratadas (14-20%) y frutas deshidratadas (18-25%). El progreso fue rápido una vez que se adoptó el concepto de actividad del agua (Aw), definida como la relación de la presión de vapor del agua del alimento respecto de la del agua pura a la misma temperatura. Cuando los solutos se disuelven en el agua, parte de las moléculas de la última rodean a las de soluto y aumentan las fuerzas moleculares del agua. Ello se traduce en un descenso del punto crioscópico, una disminución de la presión de vapor del agua y un aumento del punto de ebullición. De acuerdo con la ley de Raoult, la disminución de la presión de vapor del solvente de una solución ideal es proporcional a los moles del soluto: Po-PPo=n1n1+n2 O la presión de vapor de la solución respecto de la del solvente puro es solvente respectivamente y n1 y n2 el número de moles del soluto y del solvente respectivamente: PPo=n1n1+n2 en donde, p y p0 son las presiones de vapor relativas de la solución y del solvente respectivamente. De lo anterior deriva el concepto de humedad relativa de equilibrio (ERH), la única humedad a la que son iguales la velocidad de evaporación y la condensación, esto es % ERH =Aw= 100. En tal situación la solución tiene una actividad de agua definida como: Aw=PPo La presión osmótica se relaciona así con la Aw: Presión osmótica=-RtlnAWV en donde R=constante dejos gases; t=temperatura absoluta; ln Aw=logaritmo natural de Aw y V=volumen molar parcial del agua. Puesto que la disminución de la Aw es consecuencia del aumento de la concentración de una solución, tal disminución puede conseguirse añadiendo solutos (como en la conservación de alimentos por salazón o por jarabes) o eliminando el agua. La refrigeración de un alimento cambia su Aw, ya que la formación de cristales de hielo lleva a un aumento progresivo de la concentración de solutos. La actividad acuosa es una propiedad intrínseca y se relaciona con el contenido de humedad por medio de las curvas o isotermas de adsorción y desorción (fig.1.1); por esta razón, es muy importante no confundir la actividad acuosa con el contenido de agua ya que la relación no es lineal. Para entender mejor, 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 provocará que haya transferencia de moléculas de agua y la cámara adquirirá 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 ésta 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 obtendrían la isoterma de desorción (deshidratación del sólido). 1142365382905 Figura 1.1 Curvas típicas de las isotermas de adsorción y de desorción de los alimentos Figura 1.2 Isotermas de adsorción para diferentes alimentos. Por lo contrario, si ahora se parte de un producto seco y se somete a atmósferas de humedad relativa elevadas, se observará 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 absorción (hidratación del sólido, fig. 1.2). Humedad De Equilibrio De Algunos Alimentos Humedad relativa (%)1030507090Pan blanco0.53.16.211.119.0Galletas 2.13.35.08.314.9Pastas5.18.811.716.222.1Harinas2.65.38.012.419.1Almidón2.25.27.49.212.7Gelatina0.72.84.97.611.4 La actividad de agua del alimento determina los cambios químicos y la velocidad de crecimiento microbiano. La relación entre contenido de agua o humedad (m) y Aw en equilibrio se representa gráficamente como una isoterma de sorción de humedad (ms). Dicha isoterma tiene generalmente forma sigmoidea. Existen razones para creer que en la práctica la curva sigmoidea está formada por 3
isotermas locales
(li) que se indican por A, B y C y que reflejan los tres tipos de agua ligada: 1mococapa, de agua ligada u orientada; 2multicapa, de agua absorbida químicamente; 3solución, capilar-móvil. Desde un punto de vista microbiológico, la actividad del agua de un substrato que posea una isoterma local A, no permitirá el crecimiento de microorganismos y salvo que estén protegidos, por presentarse en forma de esporas o por la presencia de sustancias extrañas, como proteínas, grasas, etc., morirán. En términos de estabilidad química, el alimento se alterará por autooxidación debido a que la destrucción de los radicales libres, se retrasa a consecuencia del bajo contenido de humedad. En la isoterma local B la Aw, es tal que se seleccionarán los mohos xerófilos (p. ej., Xeromyces bisporus, Aw mínima de crecimiento aprox. 0,60/ 25°C) las levaduras osmófilas (p. ej., Saccharomyces rouxii,Aw, mínima de crecimiento aprox. 0,62) y las bacterias halófilas obligadas (p. ej., Halobacterium, Aw mínima de crecimiento unos, 0,75). En la isoterma local B, los cambios químicos se deberán fundamentalmente a reacciones de pardeamiento no enzimático o a los enzimas, cuya actividad aumenta al hacerlo el contenido de humedad que ayuda a la difusión de los substratos, siempre que la difusión no se vea obstaculizada por la estructura biológica. Por lo tanto en un
producto natural
, como los granos de cereales cuyo contenido de humedad es de aproximadamente 13%, el deterioro químico es despreciable incluso si se almacenan varios años. En la harina procedente de tales granos la alteración química puede alcanzar proporciones graves en unas cuantas semanas, incluso cuando el contenido de humedad sea el mismo que el de los granos antes de su molienda. En la isoterma local C, las condiciones son menos selectivas al pasar la Aw de 0,80 a 0,98. En la práctica la presión selectiva pasa de una Aw de 0.80 que inhibe el crecimiento de microorganismos como los estafilococos, a una Aw de 00.98 que permite el desarrollo de pseudomas, etc. Por encima y por debajo de estas presiones selectivas la actividad del agua influirá la velocidad con que se desarrollan los microorganismos. Por lo tanto, bajando mucho la Aw por debajo de la óptima de un microorganismo dado se reduce progresivamente su velocidad de crecimiento. Se observa que los cambios de contenido de humedad tienen una gran influencia en B y menos en A y C. Existen muchos modelos físicos que describen termodinámicamente el fenómeno de adsorción-desorción que se basan en los cambios de entalpía y entropía, que a su vez se relacionan con la humedad de equilibrio, la actividad acuosa y la temperatura. La actividad de agua es menor durante la desorción que en la absorción o que para una Aw determinada, la humedad es mayor en el secado que en la hidratación. Se observa también que estos procesos opuestos no son reversibles por un camino común, fenómeno que recibe el nombre genérico de histéresis. Fenómeno de Histéresis.- Cuando se trazan las isotermas de adsorción y desorción y no hay superposición hablamos de un fenómeno de histéresis. Se suele desplazar hacia la derecha la de adsorción. Es decir, para una misma humedad relativa el contenido de agua será mayor en la desorción. Cuesta mucha más humedad el conseguir el mismo contenido en agua en un alimento al volverlo a hidratar tras la deshidratación. Esto ocurre debido a que los puntos a donde se unía el agua se han roto al deshidratar con lo que al agua le cuesta más volver a entrar. El que ocurra o no este fenómeno dependerá de diversos factores. 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 el secado se propicia 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. En el cuadro anterior se muestra la variación del contenido de humedad de equilibrio de diversos productos al someterlos a distintas atmósferas de humedad relativa; es claro que a medida que aumenta la HR, lo hace el contenido de agua pero según una relación no lineal. 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 de este parámetro es de cero (un producto absolutamente seco) a uno (agua pura), mientras que para la humedad relativa es de 0 a 100%. El valor de Aw se incrementa cuando se eleva la temperatura puesto que igualmente lo hace la presión de vapor; esto se observa en la figura 1.3 que muestra la tendencia de la mayoría de los alimentos. Pero en el caso de algunas soluciones de sales puras, el efecto de la temperatura es inverso ya que la Aw disminuye con el aumento de la temperatura. La dependencia de la Aw en esta variable ha sido motivo de muchos modelos matemáticos. Figura 1.3 Influencia de la temperatura en las isotermas de adsorción Debido a que las propiedades coligativas (abatimientos de la temperatura de congelamiento y de la presión de vapor) se relacionan con la actividad del agua, también se han establecido expresiones matemáticas como: aa = 11+0.0097t En la que t es la reducción de dicha temperatura; esta ecuación se puede aplicar en alimentos congelados en un intervalo de temperatura de 0 a 40°C.De hecho, en soluciones acuosas binarias sencillas como leche descremada, bebidas y jugos, se ha calculado la Aw por medio de dicha depresión del punto de congelamiento. Factores que influyen en las isotermas.- Son dependientes de la temperatura. A la misma humedad relativa cuanto mayor es la temperatura menor será el contenido en agua. Y con contenidos en agua iguales, a mayor temperatura, mayor actividad de agua. La composición y estructura del alimento también influye (grasa, sales, etc.). La sal por ejemplo interacciona con el agua lo que modificara la actividad de agua. Incidencia de la actividad de agua sobre la estabilidad de los alimentos Los valores de la actividad de agua afectan con fuerza a la tendencia de un alimento a sufrir alteraciones de origen microbiano, enzimático o químico. Los niveles de Aw que contribuyen a la alteración del alimento varian de acuerdo con el tipo de alimento, la concentración de solutos, temperatura, Ph, presencia de aditivos, humectantes y muchos otros factores. Se ha observado que los alimentos desecados cuyo contenido acuoso se situa entre el 5 y 10% tienen actividades de agua situadas en la zona más baja de la isoterma que se suponen corresponden al agua enlazada como monocapas y multicapas. En este rango de actividad (0.2), los alimentos requieren un mínimo de procesado o de conservación. Sin embargo dentro de esta zona de muy baja Aw se puede presentar la oxidación de lípidos conocida como enraciamiento de las grasas. Se trata de una altreración que se comporta de modo diferente según sean los valores de la disponibilidad para las moléculas de agua como se ha podido comprobar en la estabilidad de cereales y derivados: Cuando los valores de la actividad son muy débiles, el agua presente en las interfases lipídicas queda fijada a los peróxidos formados mediante enlaces de hidrógeno por lo que se retrasa la actividad y descomposición de estos compuestos. En cambio la acción de las moléculas de agua sobre los radicales libres comienza cuando la Aw alcanza valores de 0.5 momento en que facilita la reacción entre ellos, que al ser muy reactivos reducen su número. También dentro de esta zona de Aw las moléculas de agua pueden ejercer una acción frente a los vestigios de metales catalizadores de la oxidación aunque de acuerdo con dos mecanismos posibles diferentes: Una hidratación de metal con reducción de su actividad catalítica. La formación de un hidróxido soluble, que desaparece de la fase de reacción. Como ya se indicó la Aw es la porción de agua disponible de un alimento, que propicia diversos procesos químicos, físicos y microbiológicos, tanto favorables como indeseables. La actividad acuosa, junto con la temperatura, el pH y el oxígeno son los factores que más influyen en la estabilidad de los productos alimenticios; estudiar la acción de todos ellos en forma conjunta resulta muy complejo. La figura muestra la relación que existe entre la actividad acuosa y varias de las reacciones químicas y enzimáticas que ocurren en los alimentos, así como el crecimiento de hongos, levaduras y bacterias. Se observa que algunas de estas transformaciones se propician o se inhiben a partir del valor de Aw. Sin embargo, como los valores allí indicados no se pueden aplicar a todos los alimentos, la figura sólo muestra la tendencia general. La influencia de la Aw se ha demostrado en un gran número de trabajos de investigación: en la pérdida de la lisina disponible, en el oscurecimiento no enzimático, en la degradación de vitaminas, en la inactivación del inhibidor de tripsina, en la destrucción de pigmentos, en la producción del aroma de productos cocidos, en las estabilidades de pastas y harinas, y en la de las frutas. Muchas de las reacciones químicas y enzimáticas se favorecen con el aumento de la Aw, puesto que el agua propicia la movilidad del sustrato y de los productos y participa en las transformaciones hidrolíticas; además las enzimas adquieren su actividad catalítica cuando establecen una estructura terciaria gracias a la influencia de este disolvente. Por ejemplo, la velocidad del oscurecimiento enzimático se incrementa de tres a seis veces al cambiar el valor de la actividad acuosa de 0.33 a 0.65 y hasta tres veces por cada 10°C que suba la temperatura. En general, por cada 0.1 unidades de aumento de Aw las reacciones y el crecimiento microbiano lo hacen con un incremento que varía de 50 a 100%. La Aw tiene una gran influencia en el crecimiento de los microorganismos: los que más agua requieren son las bacterias ( 0.91), después las levaduras ( 0.88), y finalmente los hongos ( 0.80); de todos, las bacterias patógenas son las que necesitan actividades acuosas mayores para su crecimiento, mientras que las levaduras osmófilas se pueden desarrollar en Aw muy reducidas (cuadro 1.1). Hay que aclarar que, aunque se inhibe su crecimiento, la resistencia térmica de los microorganismos se incrementa cuando se elimina el agua, lo que quiere decir que para destruirlos es mejor el calor húmedo que el calor seco. Según esto, muchos métodos de conservación de alimentos se basan precisamente en la reducción y el control de la actividad acuosa, como es el caso de los productos deshidratados y concentrados; además, también se pueden utilizar compuestos altamente hidratables que reducen la actividad acuosa de los productos. Cuadro 1.1 Valores de Aw mínima para el crecimiento de microorganismos de importancia en los alimentos. OrganismoMínimaOrganismoMínimaMayoría de bacteria dañinas0.91Salmonella0.95Mayoría de levaduras dañinas0.88Clostridium botulinum0.95Mayoría de hongos dañinos0.80Escherichia coli0.96Bacteria halófila0.75Staphylococcus aureus0.86Levadura osmófila0.60Bacillus subtilis0.95 La relación matemática de la Ley de Raoult sólo se aplica a sistemas muy sencillos de soluciones diluidas y no se puede extrapolar a un alimneto con toda la complejidad fisicoquímica que implica; esto se debe, entre otras causas, a que los solutos tienen interacciones y forman complejos con ellos mismos o con otros polímeros, haciendo que no todo esté en solución verdadera; además también influye el estado de dispersión y la estructura capilar del producto. Sin embargo, dicha fórmula es de utilidad para tener una aproximación rápida de la posible actividad acuosa desarrollada con un determinado soluto. Debido a todo lo anterior y considerando la gran influencia que tiene la actividad acuosa en la estabilidad de muchos productos comestibles, en las últimas décadas se han desarrollado los llamados alimentos de humedad intermedia. Alimentos de humedad intermedia.- Existen muchas definiciones de estos productos; por ejemplo, se establece que son aquellos que pueden consumirse como tal sin necesidad de rehidratarlos para su consumo o refrigerarlos para su conservación; también se consideran materiales con un grado de humedad alto que no causan una sensación de sequedad, pero lo suficientemente bajo como para tener una vida de anaquel adecuada. Conforme a los valores de su actividad acuosa, existen algunas discrepancias entre los autores; algunos los ubican entre 0.65 y 0.90, otros entre 0.70 y 0.85 y algunos más entre 0.60 y 0.85, etc. En términos generales, se describen como alimentos con un contenido de agua de 25 a 50% (base húmeda) y con un valor máximo de 0.86, que es suficiente para inhibir bacterias patógenas, como el Staphylococcus aureus. De acuerdo con estos valores de Aw, se puede deducir que son productos no aptos para el crecimiento de las bacterias pero sí para los hongos y las levaduras; por esta razón, en su elaboración se añaden aditivos (sorbatos y benzoatos) que controlan e inhiben estos dos grupos de microorganismos. Además de los alimentos, se conoce que muchos productos y preparaciones comerciales de pigmentos y vitaminas alcanzan su mayor estabilidad cuando se les ajusta su actividad acuosa en el intervalo de los de humedad intermedia. -3810763270Existen varios métodos para su elaboración que se basan en procesos de desorción o de adsorción. En el primer caso se encuentran todos los sistemas que implican un mecanismo de eliminación de agua, como ocurre en la concentración; por ejemplo, la leche tiene una Aw=0.97 que puede reducirse cuando se somete a evaporación, para lograr un derivado concentrado con un contenido mayor de sólidos y una actividad acuosa menor de 0.80 a 0.82, este lácteo tiene una vida de anaquel mucho mayor que la materia prima de la que se obtuvo. Con este sistema se fabrican mermeladas, dulces, jaleas, sopas y varios productos más. En el segundo caso se puede acudir a la adición de diversos solutos de bajo peso molecular que tienen la propiedad de reducir la Aw; su selección debe hacerse tomando en cuenta varios aspectos como son: solubilidad en agua, vida de anaquel, eficiencia, sabor, compatibilidad con el alimento, pH desarrollado, costo, regulaciones, etc. En realidad no hay muchas sustancias adecuadas para este fin; sin embargo, las más importantes son azúcares (sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y lactosa), sales (cloruros de sodio y de potasio y varios fosfatos), polialcoholes (sorbitol, glicerina, manitol y propilenglicol) y ácidos (fosfórico, cítrico, ascórbico y fumárico). Cada uno de estos grupos se emplea para un cierto tipo de alimentos (los azúcares en productos dulces, etc.) y esto hace que el número de compuestos esté realmente restringido. Además de éstos, hay algunos otros, como los hidrolizados de proteínas de soya, que se han usado últimamente; se ha visto que su adición en una concentración de 3.3 a 4.6% a la carne, tiene un efecto semejante al que produciría 1% de cloruro de sodio; tiene el inconveniente (o la ventaja en algunos casos) de conferir un sabor amargo a los alimentos. De todos los aminoácidos, la glicina y la alanina son los más efectivos para esta finalidad, pero la segunda no se considera viable por su baja solubilidad; la lisina y el ácido láctico reducen adecuadamente la actividad acuosa, pero tienen el inconveniente de que son muy caros. BIBLIOGRAFIA Badui, Salvador. Química de los Alimentos. Tercera edición. Editorial Pearson. México D. F, México. 1999. ISBN 968-444-152-5 Fennema, Owen. Química de los Alimentos. Segunda edición. Editorial Acribia. Zaragoza, España. Jay, James. Microbiología Moderna de los Alimentos. Segunda Edición. Editorial Acribia. Zaragoza, España. 1978. Frazier, W. C.; y D. C., Westhoff. Microbiología de los Alimentos. Cuarta Edición. Editorial Acribia. Zaragoza, España. 1993. Board, R. G. Introducción a la Microbiología Moderna de los Alimentos. Editorial Acribia. Zaragoza, España. 1998. Belitz D.; y W. Grosch. Química de los alimentos. Segunda edición. Editorial Acribia. Zaragoza, España. 1997 Ciencia bromatológica, escrito por José Bello Gutiérrez. http://books.google.com.ec/books?q=isotermas+de+sorci%C3%B3n&uid=14522215067096133437&spell=1&oi=spell Química y Bioquímica de los alimentos II, escrito por Josep Boatella Riera. http://books.google.com.ec/books?id=swXN8dUFew0C&pg=PA13&dq=isotermas+de+sorci%C3%B3n&ei=C71GSv3xG5mIyQSm7eSXBw Química y Bioquímica de los alimentos II (eBook). http://books.google.com.ec/books?id=uaBI0tEykJwC&pg=PA12&dq=isotermas+de+sorci%C3%B3n&ei=C71GSv3xG5mIyQSm7eSXBw Manual de industrias lácteas, escrito por M. Gèosta Bylund, Antonio (trad.) López Gómez, Antonio López Gómez. http://books.google.com.ec/books?id=xcaN14spLCcC&pg=PA49&dq=presi%C3%B3n+de+vapor+en+los+alimentos Coello, Karin. Estabilidad en los alimentos. ESPOL-Campus Prosperina. 24 de junio del 2009. Entrevista Personal. http://usuarios.lycos.es/vicobos/nutricion/quimica1.html http://www.foroswebgratis.com/tema-presion_de_vapor-24280-480305.htm http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/agronomia/2006228/teoria/fundam/p5.htm http://oscarmm.mayo.uson.mx/alimentos.htm