Química del Agua en Alimentos: Actividad (aw), Sorción e Impacto en la Estabilidad

Fundamentos del Agua en Sistemas Alimentarios

Actividad de Agua (a_w)

La actividad de agua (a_w) es la cantidad de agua libre que está disponible para el crecimiento microbiano. Se define mediante la relación de fugacidades:

$$a_w = \frac{f}{f_0}$$

• f: Fugacidad del solvente (agua) en el sistema.
• f₀: Fugacidad del solvente puro (agua pura).

A bajas presiones, la relación de fugacidades se aproxima a la relación de presiones parciales, resultando en la fórmula práctica:

$$a_w = \frac{p}{p_0}$$

• p: Presión parcial de vapor de agua encima de la muestra.
• p₀: Presión de vapor del agua pura a la misma temperatura (T).

La a_w se mide en valores de 0 a 1. Cuanto menor sea el valor de a_w, menor es la cantidad de agua disponible para el desarrollo microbiano, lo que implica una menor susceptibilidad al deterioro (mayor estabilidad).

Incidencia de la a_w en la Calidad Alimentaria

La actividad de agua tiene una incidencia directa sobre las características de calidad de los alimentos, incluyendo:

• Textura
• Color
• Aroma y sabor
• Susceptibilidad al deterioro

Tipos de Agua en Alimentos

Agua Ligada

El agua ligada es aquella que existe en la vecindad de solutos y otros constituyentes no acuosos. Como resultado de su localización, posee propiedades que están alteradas significativamente respecto a las del “agua masiva” o “agua global” en el mismo sistema.

Propiedades del Agua Ligada

• Tiene movilidad restringida en comparación con el agua masiva, pero no está completamente inmovilizada.
• En un alimento de alta humedad, el agua ligada representa solo una pequeña parte del total de agua presente.
• Corresponde aproximadamente a la primera capa de moléculas de agua adyacentes a los grupos hidrofílicos.
• No congela a –40 ºC.
• No puede actuar como solvente de los solutos añadidos.

Capacidad de Retención del Agua (CRA)

La Capacidad de Retención del Agua es la habilidad de una matriz de macromoléculas para atrapar grandes cantidades de agua de tal manera que se evite la exudación bajo la aplicación de una fuerza externa. Ejemplos de matrices con alta CRA incluyen geles de pectina, almidón y tejidos vegetales y animales.

Características del Agua Retenida

• Se elimina durante la desecación.
• Se convierte en hielo durante la congelación.
• Está disponible como disolvente.
• Tiene efectos significativos sobre la calidad de los alimentos.

Isotermas de Sorción de Humedad

Definición y Representación

Una Isoterma de Sorción es una representación gráfica que interrelaciona la actividad de agua (a_w) de un alimento con su contenido de agua a temperatura constante (T cte). El contenido de agua se expresa generalmente como masa de agua por masa de materia seca.

Zonas de la Isoterma

Zona I: Agua Monocapa Fuerte

En esta zona, el alimento posee el agua más fuertemente adsorbida y más inmóvil. Está adsorbida a sitios polares accesibles mediante interacciones agua-ion o agua-dipolo.

• Entalpía de vaporización: Mucho mayor que la del agua pura.
• No puede congelarse a –40 °C.
• No sirve como solvente.
• No está presente en cantidad suficiente para ejercer un efecto plastificante sobre el sólido.
• Se comporta como parte integrante del sólido.

El límite entre las Zonas I y II corresponde al contenido de humedad de la monocapa de BET del alimento (Cantidad de agua necesaria para formar una capa sobre los grupos altamente polares y accesibles de la materia seca).

Zona II: Agua Multicapa y Capilar

El agua añadida en esta zona ocupa los sitios de la primera capa que aún permanecen libres, y se asocia con las moléculas de agua vecinas y las moléculas de soluto por enlaces de hidrógeno.

• Entalpía de vaporización: Ligeramente mayor o igual que la del agua pura.
• No congela a –40 °C.

Zona III: Agua Masiva o Libre

Esta zona incluye el agua de la Zona I y II, más el agua añadida dentro de la Zona III. Es el agua menos fuertemente ligada y más móvil, y se designa como agua de la fase masiva.

• En el límite de las zonas IIB y III, el agua es suficiente para completar una cubierta de hidratación de monocapa verdadera en torno a las macromoléculas.
• Tiene propiedades similares a las del agua de una solución salina diluida.
• Entalpía de vaporización: Casi igual a la del agua pura.
• Es congelable.
• Es utilizable como solvente.
• Es utilizable por los microorganismos para su actividad biológica, crecimiento y multiplicación.
• Asciende a más del 95 % del agua total de un alimento de alta humedad.

Fenómeno de Histéresis

Histéresis en la Sorción de Humedad

La Histéresis es la falta de coincidencia o desviación que se observa cuando una isoterma de sorción de humedad, preparada por adición de agua (adsorción) a una muestra seca, no se superpone sobre una isoterma preparada por eliminación de agua (desorción) a la misma temperatura.