Actividad Del Agua y Estabilidad de Los Alimentos

ACTIVIDAD DEL AGUA Y ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOS OBJETIVOS 

Identificar como se encuentra el agua presente en los productos alimenticios y conocer como esta puede influir en los mismos.



Conocer como la actividad del agua interviene en la estabilidad de los alimentos, puesto que es una materia prima necesaria para llevar a acabo reacciones químicas y bioquímicas.



Reconocer las aplicaciones que tiene la actividad del agua principalmente en la industria alimentaria para obtener productos mejorados y de buena calidad.

INTRODUCCIÓN La actividad de agua (aw) es un factor muy importante para la conservación de alimentos. Por miles de años, los seres humanos han secado frutas, vegetales y carnes como un método de preservación. Se sabía también que la adición de azúcares ayudaba a conservar los alimentos y también se preservaba carne mediante el salado. Hasta aproximadamente 1940, los microbiólogos pensabas que el porcentaje de agua en un alimento era quien controlaba el crecimiento de los microorganismos. Más tarde se identificó que el factor que influye en el crecimiento era la actividad (o disponibilidad) del agua, que se simboliza con aw. Cuando las sustancias se disuelven, ocurre una reacción entre éstas y el agua. Parte de las moléculas de agua son capturas por las moléculas de la sustancia disuelta. Todas las sustancias disueltas en agua

disminuyen el número de moléculas de agua libres y de esta manera se disminuye la cantidad de agua disponible para el crecimiento 1 microbiano. Palabras Claves: Actividad del agua, estabilidad de los alimentos, agua libre, agua ligada. TEORÍA ANTECEDENTES Para disponer de un criterio valorativo de la disponibilidad del conjunto de moléculas de agua contenidas en un alimento se ha introducido un nuevo concepto, que ha resultado muy eficaz en el campo de la tecnología de alimentos. A raíz de una observación realizada por el microbiologo Scott en 1953, que relacionió el desarrollo microbiano en las carnes con la humedad relativa de las cámaras donde se almacenaban, se estableció el concepto de actividad de agua (aw).2 El concepto de actividad del agua ha recibido mucha atención entre los

tecnólogos de alimentos desde hace más de dos décadas, fundamentalmente por la influencia de este parámetro en la estabilidad y calidad del alimento. Se han llevado a cabo numerosos estudios sobre diferentes aspectos relativos a la actividad del agua, incluyendo metodologías de predicción y medida, efectos sobre la calidad y estabilidad de los alimentos e isotermas de sorción. En los últimos diez años, se han publicado varios libros sobre este tema. La actividad del agua en alimentos destacó tras su incorporación en las regulaciones de las buenas prácticas de fabricación (BPF) por la FDA (1979) para productos enlatados. En el registro federal se estableció la seguridad de determinados alimentos en términos de su aw: ”una aw será considerada segura para un alimento si se proporcionan los datos adecuados que demuestren que el alimento a esa aw o por debajo de ella no permite el crecimiento de microorganismos”. Dada su importancia se han propuesto procedimientos estándar para la medida de aw por parte de la Association of Official Analytical Chemists Official Methods for Analysis (AOAC, 1984).3 DEFINICIONES El agua en los alimentos puede encontrarse en forma libre o disponible y en forma de agua ligada o no disponible. La medida de la cantidad de agua disponible en un alimento4 para intervenir en posibles reacciones químicas, bioquímicas o microbiológicas,5 corresponde a la

actividad de agua, la cual se relaciona con el contenido de humedad (cantidad cuantitativa de agua en una muestra; propiedad extensiva que depende de la cantidad de material) mediante curvas o isotermas de adsorción (representa la cinética con la que el alimento adsorbe humedad y se hidrata) y desorción (equivale al proceso de deshidratación y refleja la forma como pierde agua); la obtención de las curvas isotermas de sorción han resuelto una manera muy útil de enfocar el estudio de la hidratación de los alimentos sólidos. Una isoterma de sorción es una curva que describe, para una temperatura dada, la relación de equilibrio entre la cantidad de agua absorbida por los componentes del alimento y la presión de vapor. La actividad de agua (a w) se ha definido como el cociente entre la presion parcial de vapor de agua contenida en el alimento (Pa) y la presión parcial de vapor del agua pura (Po) a una temperatura determinada. Puede observarse cómo este parámetro viene dado por una relación entre dos magnitudes semejantes y por tanto está representada por un número sin dimensiones. Por consiguiente, esta medida solo tendrá sentido práctico cuando se le relacione con una situación patrón, que en este caso es el agua pura, cuya presión de vapor se fija por conveniencia en la unidad. Por lo tanto, la actividad presentada por el agua contenidad en un alimento siempre será igual, o inferior

a uno6, cuanto menor sea este valor, mejor se conservará el producto.7 Su aplicación se basa en un hecho esencial: para una temperatura dada, el agua tiene siempre la misma presión de vapor. Pero la interacción de las moléculas de agua con las compuestos solutos, origina siempre una disminución de la presión de vapor del agua y una alteración de sus propiedades coligativas. La influencia de los solutos sobre el comportamiento del agua ha sido ampliamente investigado. Cuando las moléculas de agua pierden su libertad de acción al quedar enlazadas a otros componentes del alimento, se reduce el valor de la presión de vapor de esas moléculas. Esta pérdida de libertad, o de disponibilidad, es lo que se mide a través del concepto de actividad de agua. En un sistema alimentario, la actividad de agua está íntimamente relacionada a la humedad relativa del espacio fisicoquímico que rodea al alimento. La humedad relativa hace referencia a la cantidad de vapor de agua contenida en un volumen específico de aire, comparado con la cantidad máxima de vapor de agua alcanzado por un aire enfriado a una temperatura específica. En realidad, la actividad de agua es igual al valor alcanzado por la humedad relativa de equilibrio del alimento, punto en el que no se gana ni se pierde agua 6. Además de su efecto sobre los microrganismos, la aw también juega un papel importante en la estabilidad química y en la calidad de los alimentos. Las cinéticas de

reacciones de oxidación de lípidos, pardeamiento no enzimático, degradación de vitaminas y pigmentos y cambios enzimáticos son altamente dependientes del contenido en humedad y aw de los sistemas alimenticios.8 La actividad de agua está relacionada también con la textura de los alimentos; a una mayor actividad la textura es mucho más jugosa y tierna, sin embargo, el producto se altera de forma más fácil y se debe tener más cuidado; a medida que la actividad de agua disminuye, la textura se endurece y el producto se seca más rápido, por el contrario, los alimentos cuya actividad de agua es baja por naturaleza son más crujientes y se fragmentan con facilidad; en ambos casos, el parámetro de la actividad de agua del alimento es un factor determinante para la seguridad del mismo y permite determinar su capacidad de conservación junto con la capacidad de propagación de los microorganismos 7. Para hacer la medición de la actividad del agua, hay que tener en cuenta que todos los productos, ceden o absorben humedad del aire ambiente que los rodea hasta llegar al estado de equilibrio. Una vez llegado al equilibrio, la actividad del agua del producto es la misma que la humedad relativa del aire que lo rodea, llamada humedad relativa de equilibrio (ERH) 9. La medición puede realizarse de manera dinámica haciendo pasar una corriente de gas de humedad relativa conocida sobre el alimento y determinando la humedad que gana o

pierde el alimento; pero es importante que la cámara de aire en la que se efectúa la medición sea lo más reducida posible, permitiendo que el volumen de aire atrapado alcance lo más rápido posible el mismo nivel de humedad del producto. Si el volumen de aire fuera muy grande, nunca se alcanzaría el equilibrio. Hay que tener en cuenta que hay métodos para reducir la aw como es la congelación, el secado (deshidratación), la adición de solutos (sales, azúcares, polialcoholes, ácidos)7. APLICACIONES Conociendo el valor de actividad de agua se consigue una medida de la calidad de los productos de forma rápida, sencilla y precisa. Ya que al conocer la actividad de agua, no sólo se conoce la cantidad de agua del producto, sino lo que está haciendo el agua y lo que hará en el producto que se encuentra al alcance del consumidor. La actividad de agua, está relacionada directamente con el desarrollo de microorganismos. También está bien correlacionada con las reacciones de deterioro físico y químico que acaban con la vida útil de los alimentos, se puede utilizar para predecir y maximizar la vida útil, para tomar decisiones de envasado y almacenamiento, evitar la transición vítrea y en otras muchas facetas de la formulación y diseño de nuevos productos, algunas de las más importantes aplicaciones son las siguientes:

VIDA UTIL Y ESTABILIDAD DEL PRODUCTO: La calidad técnica de un producto también está dada por la estabilidad del alimento, su tiempo de vida útil y el impacto que causa al ambiente su proceso de elaboración. La vida útil de un alimento se puede definir como el tiempo que transcurre entre la producción/envase del producto y el punto en el cual se vuelve inaceptable bajo determinadas condiciones ambientales. La finalización de la vida útil de un alimento se puede deber a que el consumo implique un riesgo para la salud para el consumidor o que las propiedades sensoriales se han determinado hasta hacer que el alimento sea rechazado10. PROPIEDADES FISICAS: Las transiciones de fase son cambios en el estado de los materiales, que tienen efectos significativos en sus propiedades físicas. El conocimiento de las temperaturas de transición y su dependencia con la composición son factores importantes en el control de los procesos de elaboración, almacenamiento y manipulación de alimentos. Los componentes de los alimentos se presentan en la naturaleza en un estado que no corresponde a su condición de estabilidad termodinámica, y exhiben muchos cambios dependientes del tiempo, que no son típicos de compuestos puros simples, y afectan significativamente la estabilidad. En estos casos, el estado físico es extremadamente sensible a la humedad, la temperatura y el tiempo de observación, y las transiciones de fase o estado ocurren en función del tiempo como consecuencia de

cambios en la composición o en alguna de las variables 11 mencionadas . Entre varias propiedades físicas que tienen los alimentos veremos los principales como son: Textura: se constituye a todos los atributos mecánicos geométricos y superficiales de un producto perceptible por medio de receptores mecánicos táctiles y si es apropiado visuales y auditivos. Con base a esta definición de textura al aplicar un esfuerzo sobre un alimento es factible medir de forma instrumental las características mecánicas primerias (dureza, cohesividad, viscosidad elasticidad, y adhesividad, etc12 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 multicomponentes. 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 blando13. Apelmazamiento: el apelmazamiento es un proceso que depende la aw el tiempo y la temperatura. Los cambios en las propiedades mecánicas producidas durante las transiciones de fase afectan también a parámetros de calidad en determinados productos .Levine y Slade (1988) definen el colapso como un fenómeno que incluye varias transformaciones estructurales de pendientes del tiempo, que pueden ocurrir tanto en

alimentos amorfos como en otros materiales biológicos a temperaturas superiores a la temperatura de la transición vítrea. Estos fenómenos incluyen o están relacionados con la pegajosidad, cristalización y apelmazamiento de productos en polvo.14 ESTABILIDAD QUÍMICA Y BIOQUÍMICA: En esta se determina que tipos de reacciones pueden ocurre en los alimentos de varios tipos: Pardeamiento de los alimentos: Puede seguir dos tipos de mecanismos claramente diferenciados: Los de carácter enzimático: en los que intervienen enzimas propios del alimento; y los no enzimáticos debidos a procesos estrictamente químicos .El pardeamiento enzimático se produce mayoritariamente en alimentos de origen vegetal y se basa en reacciones de oxidación de substratos de tipo fenólico, fácilmente oxidables, siendo catalizadas estas reacciones por enzimas genéricamente denominadas fenolasas. Los fenoles oxidados sufren a continuación reacciones de polimerización dando lugar a los pigmentos oscuros responsables del cambio de color que aparece por ejemplo al realizar una incisión en frutas como la manzanas, peras, melocotones, etc. y hortalizas como las patatas y zanahorias etc. Debido a su carácter enzimático son reacciones que pueden controlarse o evitarse en el curso de os tratamientos aplicando aquellas técnicas que provoquen la inactivación o desnaturalización de las enzimas responsables. El pardeamiento enzimático engloba diversas reacciones que conllevan

también la formación de pigmentos oscuros, sin que en este caso exista una actividad enzimática responsable. Son reacciones que en términos generales progresan más lentamente que las e pardeamiento enzimático, pero son más difíciles de evitar. Entre estas reacciones se encuentran las reacciones de Maillard, la caramelizarían de azucares, la oxidación del ácido ascórbico o ciertas reacciones de degradación de pigmentos naturales. Cabe destacar que en la mayoría de esto procesos pueden existir además de modificaciones sensoriales, perdidas en el valor nutritivo.15 OXIDACION LIPIDICA: La oxidación de los lípidos es la segunda causa de deterioro de los alimentos, después de la acción de los microrganismos. Tiene como consecuencias las alteraciones en el aroma y sabor (enraciamiento), en el color, la pérdida de determinados nutrientes y la formación de substancias potencialmente nocivas. La forma principal de oxidación de los lípidos es mediante una reacción de propagación en cadena de radicales libres, en la que a partir de ácidos grasos (libres o formando parte de lípidos más complejos) y oxígeno se van formando hidroperóxidos. El carácter electrófilo de la mayoría de los productos de oxidación lipídica les lleva a reaccionar con constituyentes de los alimentos que sean constituyentes de los alimentos que sean portadores de funciones nucleofilas. Estas interacciones tienen un papel muy importante en aquellos alimentos como los marinos con alto contenido proteico y en aminoácidos esenciales como lisina y metionina.

Las interacciones entre lípidos oxidados y proteínas afectan el valor nutricional y sensorial de los alimentos. El valor nutritivo pude verse afectado en las siguientes aspectos: a) descenso del valor biológico de las proteínas) cambios de digestibilidad) formación de sustancias toxicas producidas por la autoxidación lipídica. La formación de compuestos de interacción entre lípidos oxidados y proteínas puede influir en el valor sensorial a nivel de: aroma (formación de nuevos compuestos aromáticos), color (reacción de pardeamiento) y textura (desnaturalización) sabor 16 (enranciamiento). CRECIMEINTO 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 a w cercanos a 0,78.11 EL AGUA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA El agua tiene múltiples usos en la industria alimentaria. En una planta de alimentos se usa en la producción, formulación, en el transporte de vegetales, en la generación de vapor, en los sistemas de enfriamiento, en el

lavado de maquinaria y equipos. Aunque es un recurso abundante su extracción cada vez se vuelve más complicada y costosa por el daño ambiental, por esta razón es necesario tener un plan de ahorro y de optimización de procesos y de reutilización del agua para disminuir el consumo. En muchas ocasiones, el agua es la causa de reacciones que reducen las propiedades sensoriales y el valor nutritivo de los alimentos, por lo que es necesario tener un control adecuado de su calidad, sobre todo de la que está en contacto directo. No solamente los microorganismos presentes pueden causar años, sino que las sales y los iones que contiene también ocasionan problemas, como es el caso del hierro, que cataliza las reacciones de oxidación de moléculas insaturadas, produciendo rancidez y decoloración de diferentes pigmentos. Asimismo, el cobre también propicia reacciones semejantes y de destrucción de vitaminas, como la C. La reactivación de algunas enzimas de los alimentos tratados térmicamente, puede acelerarse con la presencia de cationes como calcio y magnesio provenientes del agua empleada. El agua dura, además de dificultar el lavado de los equipos con detergentes, provoca que se deposite carbonato y sulfato de calcio en las paredes de los intercambiadores de calor, los pasteurizadores, las calderas, etcétera, ocasionando una reducción en el área de transferencia de calor. De igual manera, en el escaldado de vegetales reduce la absorción de agua y modifica sus características de textura.

Sin embargo, en el caso de las frutas que contienen pectinas, los iones divalentes producen una mayor rigidez. Así como en la industria alimentaria se consume mucha agua, también se generan efluentes que contaminan los ríos, lagos, mantos acuíferos, mares, etcétera, si previamente no son tratados. Esta contaminación es muy significativa en términos de la gran variedad de compuestos y del enorme impacto que tienen en los ecosistemas. Las autoridades federales requieren que se cumpla con los valores límite de ciertos parámetros para poder descargar las aguas residuales, tales como grasas y aceites, sólidos sedimentables, pH, temperatura, diversos elementos (As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn), demanda biológica de oxígeno, sólidos suspendidos totales y demanda química de oxígeno. Para cumplir con dichos parámetros, se emplean diversos procesos físicos (sedimentación, flotación), químicos (coagulación, cambio iónico y ajuste de pH) y biológicos (digestión microbiana), generalmente en combinación. En los dos primeros se utilizan las propiedades físicas y químicas de los propios residuos para separarlos, mientras que en el biológico los efluentes orgánicos son inoculados con microorganismos para producir biomasa que posteriormente se separa como un sólido humedecido. Las aguas tratadas provenientes de estos sistemas se reutilizan en diversos servicios de las fábricas, como en calderas, riego, baños, etcétera, con lo cual se contribuye a reducir la sobreexplotación de los mantos acuíferos.16

El control del parámetro actividad de agua (aw) es de vital importancia en los sectores alimentario, veterinario, farmacéutico y cosmético7. PRODUCTOS Algunos ejemplos de alimentos según su aw: 1. Tienen aw de 0,98 o superior las carnes y pescados frescos, las frutas, hortalizas y verduras frescas, la leche, las hortalizas en salmuera enlatadas, las frutas enlatadas en jarabes diluidos. En este rango de a w crecen sin impedimento alguno todos los microorganismos causantes de toxiinfecciones alimentarias y los que habitualmente dan lugar a alteraciones, excepto los xerófilos (microorganismos adaptados a la "sequedad") y halófilos extremos (que viven en gran presencia de sal). 2. Tienen aw entre 0,98 y 0,93 la leche concentrada por evaporación, el concentrado de tomate, los productos cárnicos y de pescado ligeramente salados, las carnes curadas enlatadas, los embutidos fermentados (no secos), los embutidos cocidos, los quesos de maduración corta, queso de pasta semidura, las frutas enlatadas en almíbar, el pan, las ciruelas con un alto contenido en agua. Casi todos los microorganismos conocidos causantes de toxiinfecciones alimentarias pueden multiplicarse al menos a los valores más altos de aw

comprendidos

en

este

intervalo.

3. Tienen aw entre 0,93 y 0,85 los embutidos fermentados y madurados, el queso Cheddar salado, el jamón tipo serrano, la leche condensada azucarada. Entre las bacterias conocidas, sólo una (Staphylococcus aureus) es capaz de producir intoxicación alimentaria a estos niveles de aw pero pueden crecer muchos mohos productores de micotoxinas. 4. Tienen aw entre 0,85 y 0,60 los alimentos de humedad intermedia, las frutas secas, la harina, los cereales, las confituras y mermeladas, las melazas, el pescado muy salado, los extractos de carne, algunos quesos muy madurados, las nueces. Las bacterias patógenas no crecen en este intervalo de aw. La alteración, cuando ocurre, se debe a microorganismos xerófilos, osmófilos (crecen en altas concentraciones de azúcar) o halófilos. 5. Tiene aw inferior a 0,60 los dulces, el chocolate, la miel, los fideos, las galletas, las papas fritas, las verduras secas, huevos y leche en polvo. Los microorganismos no se multiplican por debajo de una aw de 0,60 pero pueden permanecer vivos durante largos períodos de tiempo.18 Se ha demostrado que la aw es un factor clave para el crecimiento microbiano, producción de toxinas y resistencia al calor de los microorganismos. En general, el límite inferior de actividad del agua

para el crecimiento microbiano es 0.90 para la mayoría de las bacterias, 0.87 para la mayoría de las levaduras y 0.80 para la mayoría de hongos. Las bacterias halófilas, levaduras osmófilas y hongos serófilos pueden crecer a aw superiores a 0.60. El efecto de la aw sobre el crecimiento de los microorganismos fue la base del desarrollo de alimentos semihúmedos o de humedad intermedia para animales domésticos. Añadiendo humectantes a los alimentos de humedad intermedia para animales se puede disminuir su aw hasta aproximadamente 0.80 manteniendo una textura típica de un material semihúmedo. Sin embargo los intentos de extender esta tecnología a la formulación de nuevos productos han tenido un éxito ilimitado debido a los problemas de pérdida de sabor y aroma, textura y estabilidad durante el almacenamiento. Los alimentos tradicionales que están dentro de esta categoría son mermeladas, jaleas, frutas secas y salsas secas.19 CONLUSIONES 

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La actividad de agua, es un parámetro adimensional que mide la cantidad de agua disponible en el alimento, y por lo tanto también la facilidad o dificultad para las alteraciones de los alimentos. Influye en la estabilidad de los alimentos, ya que es necesaria para que se lleven a cabo reacciones químicas y bioquímicas y para que exista crecimiento microbiano. Asimismo, sus reacciones químicas y sus interacciones con

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otras sustancias pueden ser determinantes de cambios que resultan muy significativos dentro de la tecnología de elaboración de algunos alimentos. La actividad del agua contribuye también a la estructura, aspecto y cualidades sensoriales de los alimentos, tales como apariencia, textura, color, etc. Pero hay que tener en cuenta que los niveles de aw que contribuyen a la alteración del alimento varían de acuerdo con el tipo de alimento, la concentración de solutos, temperatura, pH, presencia de aditivos, humectantes y muchos otros factores.

 Controlar la actividad del agua en los alimentos, es sinónimo de alargar su vida útil. Al conseguir una disminución de la cantidad total de agua libre, se disminuyen notablemente las probabilidades de contaminación microbiana. 

Para optimizar la calidad y estabilidad durante el almacenamiento de los productos alimentarios, deben controlarse pues cuidadosamente la formulación, condiciones de procesados y almacenamiento.

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Optimizar el recurso del agua es importante tanto para un ahorro dentro de la industria alimentaria en cuanto a costo y en cuanto al cuidado del medio ambiente puesto que en el diario vivir en estas plantas de industria alimentarias se gasta un gran

volumen de agua que contribuye al deterior del medio ambiente, por lo que es necesario el ahorro de dicho recurso.

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