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Actividad del agua

En ciencia de los alimentos, la actividad del agua ( a w ) de un alimento es la relación entre su presión de vapor y la presión de vapor del agua a la misma temperatura, ambas e...

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En ciencia de los alimentos, la actividad del agua ( a w ) de un alimento es la relación entre su presión de vapor y la presión de vapor del agua a la misma temperatura, ambas en equilibrio. [ 1 ] El agua pura tiene una actividad del agua de uno. Dicho de otro modo, a w es la humedad relativa de equilibrio (HRE) expresada como una fracción en lugar de un porcentaje. A medida que aumenta la temperatura, a w generalmente aumenta, excepto en algunos productos con sal o azúcar cristalizada .

El agua migra desde áreas de alta a w a áreas de baja a w . Por ejemplo, si la miel ( a w ≈ 0,6) se expone a aire húmedo ( a w ≈ 0,7), la miel absorbe agua del aire . Si el salami ( a w ≈ 0,87) se expone a aire seco ( a w ≈ 0,5), el salami se seca , lo que podría conservarlo o estropearlo . Las sustancias con menor a w tienden a albergar menos microorganismos, ya que estos se desecan debido a la migración del agua.

La actividad del agua no es simplemente una función de la concentración de agua en los alimentos. El agua en los alimentos tiende a evaporarse, pero el vapor de agua del aire circundante tiende a condensarse en ellos. Cuando ambas tendencias están en equilibrio —y el aire y los alimentos son estables—, la humedad relativa del aire (expresada como fracción en lugar de porcentaje) se considera la actividad del agua, a w . Por lo tanto, la actividad del agua es la actividad termodinámica del agua como disolvente y la humedad relativa del aire circundante en equilibrio.

Fórmula

La definición de una w es aw≡pagpag∗{\displaystyle a_{w}\equiv {\frac {p}{p^{*}}}} donde p es la presión parcial del vapor de agua en equilibrio con la solución , y p* es la presión de vapor (parcial) del agua pura a la misma temperatura.

Una definición alternativa puede ser aw≡lwincógnitaw{\ Displaystyle a_ {w} \ equiv l_ {w} x_ {w}} donde l w es el coeficiente de actividad del agua y x w es la fracción molar del agua en la fracción acuosa.

Relación con la humedad relativa : La humedad relativa (HR) del aire en equilibrio con una muestra también se denomina Humedad Relativa de Equilibrio (HRE) y generalmente se expresa como un porcentaje. [ 2 ] Es igual a la actividad del agua según miRH=aw×100%.{\displaystyle \mathrm {ERH} =a_{w}\times 100\%.} La vida útil estimada sin moho (MFSL) en días a 21  °C depende de la actividad del agua según [ 3 ].METROFSL=107.91−8.1aw{\displaystyle \mathrm {MFSL} =10^{7.91-8.1a_{w}}}

Usos

La actividad del agua es una característica importante para el diseño de productos alimenticios y la seguridad alimentaria.

Diseño de productos alimenticios

Los diseñadores de alimentos utilizan la actividad del agua para formular alimentos de larga duración . Si un producto se mantiene por debajo de cierta actividad del agua, se inhibe el crecimiento de moho. Esto resulta en una vida útil más prolongada . [ 4 ]

Los valores de actividad de agua también pueden ayudar a limitar la migración de humedad dentro de un producto alimenticio elaborado con diferentes ingredientes . Si las pasas, que tienen una mayor actividad de agua, se envasan junto con copos de salvado, que tienen una menor actividad de agua, el agua de las pasas migra a los copos de salvado con el tiempo, lo que provoca que las pasas se endurezcan y los copos de salvado se ablanden. Los formuladores de alimentos utilizan la actividad de agua para predecir cuánto afecta la migración de humedad a su producto.

Seguridad alimentaria

La actividad del agua se utiliza en muchos casos como punto crítico de control en los programas de Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control (APPCC). Periódicamente, se toman muestras del producto alimenticio en el área de producción y se analizan para garantizar que los valores de actividad del agua se encuentren dentro de un rango específico para la calidad e inocuidad de los alimentos. Las mediciones pueden realizarse en tan solo cinco minutos y se llevan a cabo regularmente en la mayoría de las grandes plantas de producción de alimentos.

Durante muchos años, los investigadores intentaron equiparar el potencial de crecimiento bacteriano con el contenido de agua . Descubrieron que los valores no eran universales, sino específicos para cada producto alimenticio. W. J. Scott fue el primero en establecer que el crecimiento bacteriano se correlacionaba con la actividad del agua, no con el contenido de agua, en 1953. [ 5 ] Está firmemente establecido que el crecimiento bacteriano se inhibe a valores específicos de actividad del agua. Las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) para alimentos con humedad intermedia se basan en estos valores.

Reducir la actividad del agua en un producto alimenticio no debe considerarse un método para eliminar bacterias . Estudios realizados con leche en polvo demuestran que pueden existir células viables con valores de actividad del agua mucho más bajos, pero que nunca se multiplican. Con el tiempo, los niveles bacterianos disminuyen.

Medición

Los valores de actividad del agua se obtienen mediante un higrómetro electrolítico resistivo, un higrómetro capacitivo o un higrómetro de punto de rocío .

Higrómetros electrolíticos resistivos

Los higrómetros electrolíticos resistivos utilizan un elemento sensor en forma de electrolito líquido contenido entre dos pequeñas varillas de vidrio por capilaridad. El electrolito cambia su resistencia al absorber o perder vapor de agua. La resistencia es directamente proporcional a la humedad relativa del aire y, por lo tanto, también a la actividad del agua en la muestra (una vez alcanzado el equilibrio vapor-líquido ). Esta relación puede comprobarse mediante verificación o calibración con mezclas saturadas de agua salada, que proporcionan una humedad del aire bien definida y reproducible en la cámara de medición.

El sensor no presenta histéresis física, como ocurre con los higrómetros y sensores capacitivos, y no requiere limpieza regular, ya que su superficie no es el elemento sensor efectivo. En principio, los compuestos volátiles influyen en el rendimiento de la medición, especialmente aquellos que se disocian en el electrolito y, por lo tanto, modifican su resistencia. Estas influencias pueden evitarse fácilmente mediante el uso de filtros de protección química que absorben el compuesto volátil antes de que llegue al sensor.

higrómetros de capacitancia

Los higrómetros de capacitancia constan de dos placas cargadas separadas por una membrana dieléctrica de polímero . A medida que la membrana adsorbe agua, su capacidad para retener carga aumenta y se mide la capacitancia. Este valor es aproximadamente proporcional a la actividad del agua, determinada mediante una calibración específica del sensor .

Los higrómetros de capacitancia no se ven afectados por la mayoría de los productos químicos volátiles y pueden ser mucho más pequeños que otros sensores alternativos. No requieren limpieza, pero son menos precisos que los higrómetros de punto de rocío (+/- 0,015 a w ). Deben someterse a comprobaciones de calibración periódicas y pueden verse afectados por el agua residual en la membrana de polímero (histéresis).

higrómetros de punto de rocío

La línea roja muestra la saturación.

La temperatura a la que se forma el rocío en una superficie limpia está directamente relacionada con la presión de vapor del aire. Los higrómetros de punto de rocío funcionan colocando un espejo sobre una cámara de muestra cerrada. El espejo se enfría hasta que se mide la temperatura del punto de rocío mediante un sensor óptico . Esta temperatura se utiliza posteriormente para determinar la humedad relativa de la cámara mediante diagramas psicrométricos .

Este método es teóricamente el más preciso (+/- 0,003 a w ) y, a menudo, el más rápido. El sensor requiere limpieza si se acumulan residuos en el espejo.

Equilibrio

En ambos métodos, es necesario alcanzar el equilibrio vapor-líquido en la cámara de muestras. Esto se produce con el tiempo o puede facilitarse mediante la adición de un ventilador a la cámara. También debe alcanzarse el equilibrio térmico, a menos que se mida la temperatura de la muestra.

Contenido de humedad

La actividad del agua se relaciona con el contenido de agua mediante una relación no lineal conocida como isoterma de sorción de humedad . Estas isotermas son específicas para cada sustancia y temperatura. Se pueden utilizar para predecir la estabilidad del producto a lo largo del tiempo en diferentes condiciones de almacenamiento.

Uso en el control de la humedad

Se produce una evaporación neta en una solución con una actividad de agua mayor que la humedad relativa de su entorno. Se produce una absorción neta de agua por una solución con una actividad de agua menor que la humedad relativa de su entorno. Por lo tanto, en un espacio cerrado, una solución acuosa puede utilizarse para regular la humedad. [ 6 ]

Se seleccionaron valores w

Habitabilidad de los planetas del sistema solar

El agua es esencial para la vida en todas sus formas conocidas actualmente en la Tierra . Sin agua, la actividad microbiana es imposible. Incluso si algunos microorganismos pueden conservarse en estado seco (por ejemplo, mediante liofilización ), su crecimiento no es posible sin agua.

Los microorganismos también requieren suficiente espacio para desarrollarse. En bentonita altamente compactada y formaciones de arcilla profunda, la actividad microbiana está limitada por la falta de espacio y el transporte de nutrientes hacia las bacterias y la eliminación de toxinas producidas por su metabolismo está controlado por difusión en el agua intersticial. Por lo tanto, las "restricciones de espacio y agua" son dos factores limitantes de la actividad microbiana en sedimentos profundos. [ 14 ] La diagénesis biótica temprana de los sedimentos justo debajo del fondo oceánico impulsada por la actividad microbiana (por ejemplo, de bacterias reductoras de sulfato ) termina cuando el grado de compactación se vuelve demasiado importante para permitir el desarrollo de la vida microbiana. [ 15 ]

En la superficie de los planetas y en sus atmósferas, las limitaciones de espacio no se aplican; por lo tanto, el factor limitante último es la disponibilidad de agua y, por consiguiente, la actividad del agua.

La mayoría de los microorganismos extremófilos requieren suficiente agua para estar activos. El umbral de actividad del agua para su desarrollo es de alrededor de 0,6. La misma regla debería aplicarse también a otros planetas además de la Tierra. Tras la intrigante detección de fosfina (PH₃ ) en la atmósfera de Venus , y ante la ausencia de un mecanismo químico conocido y plausible que explique la formación de esta molécula, se ha sospechado la presencia de microorganismos en suspensión en la atmósfera de Venus y Greaves et al. (2020), de la Universidad de Cardiff, han formulado la hipótesis de la formación microbiana de fosfina , contemplando la posibilidad de una ventana habitable en las nubes venusinas a cierta altitud con un rango de temperatura aceptable para la vida microbiana. [ 16 ]

Hallsworth et al. (2021) de la Escuela de Ciencias Biológicas de la Universidad Queen's de Belfast han estudiado las condiciones necesarias para sustentar la vida de microorganismos extremófilos en las nubes a gran altitud en la atmósfera de Venus, donde podrían prevalecer condiciones de temperatura favorables. Además de la presencia de ácido sulfúrico en las nubes, que ya representa un gran desafío para la supervivencia de la mayoría de los microorganismos, llegaron a la conclusión de que la atmósfera de Venus es demasiado seca para albergar vida microbiana. De hecho, Hallsworth et al. (2021) han determinado una actividad de agua de ≤ 0,004, dos órdenes de magnitud por debajo del límite de 0,585 para los extremófilos conocidos. [ 17 ] Por lo tanto, con una actividad de agua en las nubes de Venus 100 veces menor que el umbral de 0,6 conocido en condiciones terrestres, la hipótesis planteada por Greaves et al. (2020) para explicar el origen biótico de la fosfina en la atmósfera de Venus queda descartada.

Las mediciones directas de la atmósfera venusina realizadas por sondas espaciales apuntan a condiciones extremadamente duras, lo que probablemente convierte a Venus en un mundo inhabitable, incluso para las formas de vida más extremas conocidas en la Tierra. La bajísima actividad hídrica de la desecada atmósfera venusina representa el factor limitante para la vida, mucho más severo que las condiciones infernales de temperatura y presión, o la presencia de ácido sulfúrico.

Actualmente, los astrobiólogos consideran que podrían encontrarse condiciones más favorables en las nubes de Júpiter , donde podría prevalecer una actividad hídrica suficiente en la atmósfera, siempre que se cumplan también otras condiciones necesarias para la vida en el mismo entorno (suministro suficiente de nutrientes y energía en un medio no tóxico). [ 18 ] [ 19 ]

Referencias

  1. ↑ "Actividad del agua en los alimentos" . FDA . FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos). 3 de noviembre de 2018. Archivado del original el 14 de diciembre de 2019. Consultado el 3 de enero de 2025 .
  2. ↑ Young, Linda; Cauvain, Stanley P. (2000). Fabricación y calidad de productos de panadería: control del agua y sus efectos . Oxford: Blackwell Science. ISBN 978-0-632-05327-8.
  3. ↑ Man, CMD; Jones, Adrian A. (2000). Shelf Life Evaluation of Foods . Springer. ISBN 978-0-834-21782-9.
  4. ↑ Asuntos, Oficina de Regulación (2018-11-03). "Actividad del agua (aw) en los alimentos" . FDA .
  5. ↑ Scott, WJ (William James) (noviembre de 1953). "Relaciones hídricas de Staphylococcus aureus a 30ºC". Australian Journal of Biological Sciences . 6 (4): 549– 564. Bibcode : 1953AuJBS...6..549S . doi : 10.1071/BI9530549 .
  6. ↑ Demchick, PH (1984). "Controlando la humedad de la cámara". The Science Teacher . 51 (7): 29-31.
  7. 1 2 3 4 Marianski, Stanley; Marianski, Adam (2008). El arte de hacer salchichas fermentadas . Denver, Colorado: Outskirts Press. ISBN 978-1-4327-3257-8.
  8. ↑ "Tocino y seguridad alimentaria" . Servicio de Inspección y Seguridad Alimentaria del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos. 29 de octubre de 2013. Archivado del original el 3 de mayo de 2009. Consultado el 18 de junio de 2017 .
  9. ↑ He, Y.; Li, Y.; Salazar, JK; Yang, J.; Tortorello, ML; Zhang, W. (2013). "El aumento de la actividad del agua reduce la resistencia térmica de Salmonella enterica en la mantequilla de cacahuete" . Microbiología Aplicada y Ambiental . 79 (15): 4763– 4767. Bibcode : 2013ApEnM..79.4763H . doi : 10.1128/AEM.01028-13 . PMC 3719514. PMID 23728806 .  
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Barbosa-Canovas, G.; Fontana, A.; Schmidt, S.; Labuza, TP (2007). "Apéndice D: Límites mínimos de actividad de agua para el crecimiento de microorganismos". Actividad de agua en alimentos: Fundamentos y aplicaciones . FT Blackwell Press. págs. Apéndice D. doi : 10.1002/9780470376454.app4 . ISBN  9780470376454.
  11. ↑ Shaw, Angela (2013).Salmonella : Crea el ambiente más indeseable . Ames, IA: Universidad Estatal de Iowa.
  12. ↑ Ryser, Elliot T.; Elmer, Marth H. (2007). Listeria, listeriosis y seguridad alimentaria (3.ª ed.). CRC Press. págs. 173–174 .  
  13. 1 2 Marianski , 7
  14. ↑ Stroes-Gascoyne, S.; Schippers, A.; Schwyn, B.; Poulain, S.; Sergeant, C.; Simonoff, M.; Le Marrec, C.; Altmann, S.; Nagaoka, T.; Mauclaire, L.; McKenzie, J.; Daumas, S.; Vinsot, A.; Beaucaire, C.; Matray, J. -M. (2007). "Análisis de la comunidad microbiana de muestras de núcleos de perforación de arcilla Opalinus del Laboratorio Subterráneo de Investigación de Mont Terri, Suiza". Geomicrobiology Journal . 24 (1): 1– 17. Bibcode : 2007GmbJ...24....1S . doi : 10.1080/01490450601134275 . ISSN 0149-0451 . S2CID 85250739 .  
  15. ^ Lerouge, C.; Grangeon, S.; Gaucher, CE; Tournassat, C.; Agrinier, P.; Guerrot, C.; Widory, D.; Flehoc, C.; Wille, G.; Ramboz, C.; Vinsot, A.; Buschaert, S. (2011). "Registro mineralógico e isotópico de la diagénesis biótica y abiótica de la formación arcillosa calloviana-oxfordiana de Bure (Francia)" (PDF) . Geochimica et Cosmochimica Acta . 75 (10): 2633– 2663. Código bibliográfico : 2011GeCoA..75.2633L . doi : 10.1016/j.gca.2011.02.025 . ISSN 0016-7037 . 
  16. ^ Grebas, Jane S.; Richards, Anita MS; Baños, William; Rimmer, Paul B.; Sagawa, Hideo; Clementes, David L.; Seager, Sara; Petkowski, Janusz J.; Sousa-Silva, Clara; Ranjan, Sukrit; Drabek-Maunder, Emily; Fraser, Helen J.; Cartwright, Annabel; Mueller-Wodarg, Ingo; Zhan, Zhuchang; Friberg, Per; Coulson, Iain; Lee, Elisa; Hoge, Jim (2020). "Gas fosfina en las cubiertas de nubes de Venus" (PDF) . Astronomía de la Naturaleza . 5 (7): 655– 664. arXiv : 2009.06593 . Código Bib : 2021NatAs...5..655G . doi : 10.1038/s41550-020-1174-4 . ISSN 2397-3366 . S2CID 221655755 .  
  17. ↑ Hallsworth, John E.; Koop, Thomas; Dallas, Tiffany D.; Zorzano, María-Paz; Burkhardt, Juergen; Golyshina, Olga V.; Martín-Torres, Javier; Dymond, Marcus K.; Ball, Philip; McKay, Christopher P. (2021). "Actividad del agua en las nubes inhabitables de Venus y otras atmósferas planetarias". Nature Astronomy . 5 (7): 665– 675. Bibcode : 2021NatAs...5..665H . doi : 10.1038/s41550-021-01391-3 . hdl : 10261/261774 . ISSN 2397-3366 . S2CID 237820246 .  
  18. ↑ Timmer, John (28 de junio de 2021). "Las nubes de Venus son demasiado secas y ácidas para la vida" . Ars Technica . Consultado el 1 de julio de 2021 .
  19. ↑ Amos, Jonathan (29 de junio de 2021). "Las nubes de Venus son 'demasiado secas' para albergar vida" . BBC News . Consultado el 1 de julio de 2021 .

Lecturas adicionales

  • Reineccius, Gary (1998). Sourcebook of Flavors . Berlín: Springer. ISBN 978-0-8342-1307-4.
  • Fennema, OR, ed. (1985). Química de los alimentos (2.ª  ed.). Nueva York: Marcell Dekker, Inc. págs. 46–50 . 
  • Bell, LN; Labuza, TP (2000). Aspectos prácticos de la medición y el uso de la isoterma de sorción de humedad (2.ª  ed.). Egan, MN: AACC Egan Press.
  • Efecto isotópico
  • Medición
  • En soluciones de azúcar
  • ¿Por qué medir la actividad del agua? en Wayback Machine (archivado el 7 de agosto de 2020)
  • ¿Cómo medir la actividad del agua? en Wayback Machine (archivado el 7 de agosto de 2020)