Isotermas de Sorción

La guía completa de actividad de agua para la industria alimentaria

Esta guía completa de actividad de agua para industria alimentaria explica que es, así como todas las aplicaciones que tiene. Ya que para ser un ingrediente muy barato, el agua puede causar muchos problemas y que además son muy caros. El agua facilita el crecimiento de mohos y otros microorganismos; la pérdida de textura, apelmazamiento y aglutinación; la rancidez y la degradación de vitaminas. La mejor manera de comprender el papel del agua en cada alimento es aprender a medir la actividad de agua (aw).

¿Por qué la actividad de agua?

La utilidad de la actividad de agua como medida de calidad y seguridad se sugirió cuando se hizo evidente que el contenido de humedad no podía explicar adecuadamente las variaciones en el desarrollo de microorganismos. El concepto de aw ha servido a microbiólogos y tecnólogos de alimentos durante décadas. Y se ha convertido en el criterio de seguridad y calidad alimentaria más utilizado.

Actividad de agua: se trata de energía

¿Qué es la actividad del agua? Podemos explicarlo con un ejemplo, vamos a necesitar un vaso de agua y una esponja seca. Y hay que sumergir una esquina de la esponja en el vaso de agua. El agua pasará del vaso a la esponja.
La actividad del agua, aw, es la fuerza que hace que el agua se mueva hacia la esponja. Para entenderlo mejor ¿Cuál es la diferencia entre el agua de la esponja y la del vaso?

El agua del vaso es gratis, pero el agua de la esponja es todo menos gratis. Está unida por numerosos y distintos enlaces químicos (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals-London, enlaces polares …) y fuerzas capilares. A este conjunto específico se le denomina efecto matriz.

El agua que hay en la esponja tiene un estado energético más bajo que el agua del vaso. El agua fluirá hacia la esponja, pero para que vuelva a salir, debemos trabajar apretando la esponja. El agua de la esponja tiene una presión de vapor inferior y un punto de congelación también inferior. Mientras que el punto de ebullición es superior a la del agua del vaso. Es decir, son diferentes en las formas en que las podemos medir y cuantificar.

La energía del agua también se puede reducir diluyéndola con solutos (tradicionalmente para conservar alimentos hemos añadido sal o azúcar). Esto se denomina efecto osmótico. Y como es necesario un trabajo para restaurar el agua a su estado puro y libre, esto también reduce la aw. El cambio total de energía es la suma de los efectos mátricos y osmóticos.

La actividad del agua controla la calidad e inocuidad de los alimentos

  • Vamos a juntar unas galletas con un 20% de contenido de humedad y un relleno que tiene 30% de humedad. Estamos delante de ¿una receta de galletas reblandecidas? La respuesta es No, siempre y cuando los dos ingredientes tengan la misma actividad de agua.
  • ¿La aglutinación y el apelmazamiento son un problema recurrente en los productos en polvo que fabricamos? La solución pasa por hacer coincidir las actividades de agua de los componentes y se resolverá el problema.
  • La degradación de las vitaminas es función de la aw. Y también lo son la oxidación de lípidos, la textura crujiente, la masticabilidad, la suavidad y muchos otros factores de calidad organoléptica.

El contenido de humedad indica la cantidad de agua en un producto, pero eso es todo. Ya que no puede predecir ninguno de estos otros problemas de calidad y seguridad.

Predecir la seguridad y estabilidad alimentaria

La actividad del agua predice la seguridad y la estabilidad respecto al desarrollo de microorganismos, las tasas de reacción química y bioquímica y las propiedades físicas. La Figura 1 muestra la estabilidad alimentaria desde el punto de vista de la aw.

Diagrama de la estabilidad alimentaria relacionada con la actividad de agua
Figura 1. Diagrama de la estabilidad alimentaria relacionada con la actividad de agua

Midiendo y controlando la actividad de agua, es posible:

  • Predecir qué microorganismos serán fuentes potenciales de deterioro y/o infección.
  • Mantener la estabilidad química de los alimentos.
  • Minimizar las reacciones de pardeamiento no enzimáticas y las reacciones espontáneas de oxidación de lípidos autocatalíticas.
  • Prolongar la actividad de enzimas y vitaminas.
  • Optimizar las propiedades físicas de los productos para la migración de la humedad, la textura y la vida útil

Todas estas aplicaciones, y más,  se recogen en la Guía completa sobre vida útil para la industria alimentaria que podéis descargar a través de este enlace.

La medida del agua de los alimentos

Uno de los parámetros más medido por la industria alimentaria es el agua de los alimentos. Ya que juega un juega un papel fundamental, es el limitante de la vida útil.

El agua de un alimento determina sus condiciones de procesado y almacenamiento. Así como las características del envasado, por lo que es un factor de importancia económica.

Las propiedades funcionales como textura, viscosidad, turbidez, así como la capacidad de hidratación, de emulsificación y de formación de espuma de las proteínas, son consecuencia de la interacción con los componentes del alimento y del estado físico del agua presente.

La estabilidad del alimento depende en gran medida de su contenido de agua, ya que ésta es necesaria para el crecimiento de microorganismos.

También para que se produzcan reacciones tanto indeseables como deseables, como por ejemplo: enzimáticas, de oscurecimiento, rancidez hidrolítica desnaturalización de proteínas, rancidez oxidativa, estas dos últimas causadas por la disminución de humedad en el alimento.

Te interesa obtener valores de Contenido de Humedad en menos tiempo

Una de las formas de medir el agua de los alimentos, son las medidas de contenido de humedad

AQUALAB 3. Medida del contenido de humedad en 1 minuto
AQUALAB 3. Medida del contenido de humedad en 1 minuto

Definición de Contenido de Humedad
Cantidad de agua en una muestra
Propiedad extensiva que depende de la cantidad de muestra medida
Medida empírica (no hay estándares)

Métodos de medida habituales
Analizadores de humedad
Procedimientos de pérdida por desecación
Titulación Karl Fischer

Limitaciones de las medidas de Contenido de Humedad
Hay que elegir entre precisión y velocidad. Y por lo general se elige velocidad (pj, analizadores de humedad).
Aunque en ocasiones el tiempo de lectura sigue siendo superior al deseado
Y falta de resolución para pequeños cambios de humedad, en especial en productos de humedad baja e intermedia.

¿Cómo estáis midiendo ahora la Humedad?

Si fuera posible ¿Qué significaría para vosotros conseguir medir la Humedad en tan solo 1 minuto?

¿Estáis dispuestos a usar una nueva tecnología para medir Humedad?

Te interesa obtener valores de actividad de agua más rápidos

Midiendo la actividad de agua (aw) se consigue una medida de la calidad de los productos de forma rápida, sencilla y precisa. Ya que conociendo la aw no sólo conoces 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 aw proporciona una imagen global en la que el agua se convierte en el ingrediente más barato del producto.

¿Estáis midiendo actividad de agua?

¿En que etapas del proceso?

¿Qué representaría para vuestra empresa medir la actividad de agua en 1 minuto?

Isotermas de sorción de humedad

Entre la actividad de agua o energía del agua y la cantidad de agua existe una relación (a una temperatura específica) y es la Isoterma de Sorción de Humedad que nos da el mapa completo de humedad de nuestro producto. Es decir podemos medir el agua de los alimentos.

Cada ingrediente, producto, o formulación tiene una Isoterma de sorción de humedad única. Las isotermas permiten ajustarse mejor y más rápidamente a las especificaciones de producción y calidad. Hasta 10 veces más.

AQUALAB 3, primero mide la energía del agua y después se relaciona con la cantidad. La sensibilidad de la medida frente a pequeños cambios en la actividad de agua es imprescindible para maximizar el rendimiento. Cuanto mayor sea la resolución de cómo la cantidad de agua afecta al producto, mejor y con mayor precisión se pueden atender las especificaciones de calidad y producción. Esta es la mejor forma de medir el agua de los alimentos.

Mientras que la cantidad de agua solo cambia un 1,5%, la energía del agua pasa de 0,005 a 0,4, proporcionando mucha más resolución para hacer ajustes. La energía del agua se puede medir con una exactitud de +/- 0,005. Y además, hay patrones para medir la aw

METER Food dispone de una gran librería de Isotermas. Lo más probable es que ya tengan un modelo, relacionado con tu producto, listo para usar.

Ventajas de AQUALAB 3, medidas en 1 MINUTO

La variabilidad en la producción es un problema mayor que la precisión de las medidas.
Hacer más medidas reduce más la incertidumbre que aumentar la precisión de los equipos que empleamos para medir.
Las medidas de aw rápidas permiten incluir más lecturas en el valor promedio que de forma drástica mejoran la incertidumbre.
Si por ejemplo se hacen 4 lecturas, la incertidumbre se reduce a la mitad.

La principal Fuente de incertidumbre en las fábricas es que no se realizan suficientes medidas.
La variabilidad inherente en el producto significa que una o dos lecturas no son suficientes para caracterizar la energía del agua del producto que estamos elaborando.

 

ESTE ES EL IMPACTO AL REDUCIR LA VARIACIÓN

Todos los que han empleado esta tecnología han visto reducida la variación en sus procesos

Permitiendo aumentar el contenido de humedad mientras que la calidad y la seguridad se mantienen

AquaLab una referencia en actividad de agua

AquaLab, 37 años midiendo actividad de agua

Desde 1983 AquaLab – METER Food fabrica medidores para industria alimentaria, farmacéutica, cosmética y alimentación animal, siendo la referencia en actividad de agua (aw). En la actualidad, AquaLab fabrica equipos tanto para el ámbito de la investigación y desarrollo, así como para las áreas de calidad y producción. Y además dispone, posiblemente, de la mayor librería de Isotermas de alimentos mundial. 

Evolución del tiempo de medida

En los años 60 obtener una medida de actividad de agua podía tardar hasta 1 h. Durante la década de los 80, AquaLab desarrolló la tecnología del punto de rocío (Dew point sensors) para medir la aw y consigió lecturas en 5 minutos. Convirtiéndose en los medidores de referencia en actividad de agua con su eslogan «Nunca ha sido tan fácil medir actividad de agua». Los equipos eran rápidos y sencillos, sin necesidad de filtros protectores, ni partes móviles, ni cámaras adicionales para conseguir medida en menos tiempo.

La investigación y desarrollo, en su espíritu de evolución y mejora constante, ha permitido que actualmente se puedan obtener medidas de actividad de agua en 1 minuto. Y además también se puede conocer el valor de contenido de humedad del producto.

AquaLab ha ido generando una gran libreria de Isotermas de alimentos, tanto de alimentación humana como de alimentación animal. Y de este modo, las isotermas a partir del valor de actividad de agua medido en el producto proporcionan el valor de contenido de humedad. Y en 1 minuto, es una tecnología avazada y revolucionaria. Todo este trabajo e innovación se refleja en el medidor AQUALAB 3 y el Sistema SKALA.

En este vídeo se muestra la evolución de los medidores de actividad de agua en estos 37 años.

La mejor forma de saber que va a hacer el agua en los productos.

Mejorar el envase y la vida útil

Mejorar el envase para maximizar la vida útil del producto

actividad de agua envaseLas bebidas en polvo en monodosis son un segmento de mercado en crecimiento. Para los consumidores, son adecuadas y asequibles. Para los fabricantes y minoristas, son rentables y su envío y stock son mucho más económicos que el de los listos para consumo. De hecho, son el producto ideal, pero hay que centrarse en optimizar el envase para maximizar la vida útil. Esto se debe a que los dos ingredientes principales son la mezcla en polvo y el envase.

Cada cápsula es una porción única. Por lo que el embalaje representa más del 50% del coste de las materias primas de este producto. El objetivo principal de ese envase es mantener la mezcla para la bebida por debajo del valor de actividad de agua crítico. Y además, hacerlo durante la vida útil del producto

El envase excesivo recorta la vida útil y el beneficio

Un envase insuficiente puede favorecer que la actividad del agua en los productos alimentarios aumente o disminuya con el tiempo. Y de esta forma, provocar cambios físicos, migración de humedad, degradación química y susceptibilidad al crecimiento microbiano. y en consecuencia un envase deficiente afecta a la vida útil. Pero, por otra parte, el envase excesivo es caro y puede disminuir los beneficios. ¿Cómo se puede calcular la cantidad exacta de envase?

Históricamente, pocos fabricantes han empleado decisiones científicas en el envasado. Por lo general, se ha empleado un enfoque empírico. Es decir, envase excesivo para evitar problemas y cambiarlo, solo, cuando haya problemas. Pero en productos monodosis, este exceso de envase reduce significativamente las ganancias. En casos así, cuando se necesita solución que aúne calidad y precio, la información científica es la respuesta.

Embalaje correcto necesita dos medidas simples

El factor que determina lo que sucederá con la actividad del agua del producto a lo largo del tiempo es la permeabilidad del material de envase. Es decir, como de bien puede prevenir la transferencia de humedad en diferentes condiciones ambientales. Por lo tanto, para descubrir el envase correcto para la vida útil deseada, necesita dos medidas simples:

  • la actividad de agua crítica
  • la permeabilidad del material

La actividad de agua crítica y rápida

El punto de partida de los cálculos de envasado es el valor crítico de la actividad del agua. Tradicionalmente, este punto era difícil de obtener: las tecnologías isotérmicas tradicionales no proporcionaban los puntos de inflexión exactos. Sin embargo, el ANALIZADOR DE SORCIÓN DE HUMEDAD (VSA) de METER Group permite obtener este valor con precisión. Y por lo tanto también facilita los cálculos de envase y vida útil.

El VSA genera una isoterma de alta resolución llamada curva Isoterma de Sorción de Humedad (Isotermas Dinámicas de Sorción de Humedad, DDI). Las curvas DDI ahorran mucho tiempo en la identificación de una actividad de agua crítica en alimentos y productos farmacéuticos con bajo contenido de humedad porque ilustran claramente el cambio en las propiedades de absorción de una sustancia (ver la Figura 1). Esta curva muestra el punto de transición vítrea para una formulación en polvo.

actividad de agua crítica y envase

Figura 1. Actividad de agua crítica. El punto de inflexión exacto para este producto es 0,618 a 25 ° C

Los alimentos con mayor contenido de humedad pueden no necesitar una curva DDI porque es más probable que el deterioro microbiano sea el factor reduzca su vida útil. Para productos con humedad elevada, los límites críticos de actividad de agua que hay que buscar son los que limitan el desarrollo de microorganismos. Estos limites se pueden encontrar en la bibliografia (0,85 aw es el límite para las bacterias patógenas y ningún organismo crecerá < 0,60 aw). Otros factores que reducen la vida útil y que deben tenerse en cuenta al identificar una actividad de agua crítica son:

  • Cambios de textura
  • Oxidación lipídica
  • pardeamiento de Maillard
  • Pérdida de vitaminas
  • Pérdida de color.

¿Por qué importa la permeabilidad del envase?

La fuerza impulsora para que el agua se mueva a través del envase es la diferencia en los valores de actividad de agua dentro y fuera del envase. Cuando hay una diferencia, hay una fuerza impulsora para que el agua entre o salga y de esta forma afecte al producto.

El objetivo del envasado es reducir la velocidad a la que se transfiere la humedad. Por lo general, los fabricantes de envases se refieren a este parámetro como la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR). Al utilizar la actividad de agua crítica y la WVTR del paquete potencial, se posible generar un modelo predictivo para tomar decisiones de coste / beneficio.

La modelización predictiva se suele realizar mediante una serie de ecuaciones complejas (disponibles en Fundamentals of Moisture Sorption Isotherms), pero existe una forma más sencilla. El programa Moisture Analysis Toolkit de METER Group facilita estos cálculos automáticamente. Solo es necesario introducir las variables para un producto, y el Toolkit determinará la combinación ideal de envase y vida útil. Además, los parámetros del análisis se pueden variar hasta encontrar el envase que proporcione el mejor retorno de la inversión.

Disminuir la actividad de agua con humectantes

Humectantes, una guía paso a paso

actividad de agua y humectantes

¿Cómo mantener los alimentos de humedad intermedia microbiológicamente seguros durante una vida útil larga?                                  A menudo la respuesta es con humectantes como la glicerina, azúcar, y diferentes tipos de sales. Los humectantes disminuyen la actividad del agua (aw) de un producto porque el agua se une preferentemente a ellos. Cada humectante tiene su propia capacidad única de disminuir la aw que depende de su composición química. La cantidad o concentración de los humectantes que se agregan determinan cuánto se disminuye la aw.

¿Qué humectante elegimos?
Por regla general, cuanto menor es el peso molecular del humectante, más potente es su capacidad de unión al agua. Por ejemplo, un azúcar simple como la sacarosa es más eficaz que un almidón, cuyas moléculas de glucosa entrelazadas limitan los sitios de unión al agua disponibles.Por esta razón, la fibra, las gomas y ceras no son humectantes eficaces.

Factores a tener en cuenta
Al elegir un humectante, es importante conocer los efectos no deseados. Por ejemplo, si hay proteína presente en una masa, al disminuir la aw a 0,7 añadiendo un azúcar reductor, el producto entrará en el intervalo ideal para las reacciones de pardeamiento no enzimático (reacciones de Maillard). La aw baja mantiene la masa microbiológicamente segura, pero el producto se volverá marrón después de pocas horas.

Los humectantes también pueden introducir sabores indeseables. La glicerina es un humectante ventajoso porque no tiene sabor excepto a altas concentraciones. También es completamente miscible en agua y no precipitará al cambiar la aw del producto. En cambio, la sal o el azúcar pueden ser problemáticos porque, además de agregar sabor, forman sólidos si la concentración alcanza el punto de saturación. Y con el fin de solucionar estos problemas, se usan combinaciones de humectantes.

Pasos básicos para disminuir la actividad del agua
Los desarrolladores de productos pueden usar los siguientes pasos para averiguar cuánto y qué tipo de humectante o combinación de humectantes les ayudará a lograr la aw deseada.

Identificar la actividad de agua actual del producto
Decidir la aw que se quiere lograr
Seleccionar los humectantes
Determinar los factores de reactividad de cada humectante
Predecir el cambio de la aw a través de los cálculos y modelos (descritos abajo)
Utilizar Isotermas de sorción de humedad para establecer la combinación óptima a través de modelos

Cómo predecir un cambio en la actividad del agua
Se puede predecir hasta qué punto un humectante cambia la aw de un producto utilizando las ecuaciones de Norrish o de Grover. Estas ecuaciones han determinado científicamente constantes y coeficientes que se pueden utilizar en los cálculos. (Para más detalles, ver esta la lista de publicaciones).

El programa Moisture Analysis Toolkit es un software que incorpora estas ecuaciones. Su herramienta de predicción utiliza datos específicos del producto de interés para predecir la cantidad de humectante o combinación de humectantes necesarios para lograr una aw deseada. La siguiente tabla muestra cómo funcionó la herramienta de predicción al añadir glicerina a un jarabe.

Formulación Aw calculada Aw real
Normaln/p0,8230
Con 0,193g glicerina añadidos  0,800,819
Con 3,76g glicerina añadidos  0,750,754
Con 5,96g glicerina añadidos  0,700,706
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