fundamentos básicos sobre actividad de agua (aw). principios y aplicaciones en industria...

Especialistas en actividad de agua (aw) & Isotermas

de sorción LabFerrerFundamentos básicos sobre

ti id d d ( ) actividad de agua (aw). Principios y aplicacionesPrincipios y aplicaciones

Gema Rodrigo

www.lab-ferrer.com Webinar, 10 de julio de 2014

gÁrea de actividad de agua

ContenidoContenido

1 Definición de a1. Definición de aw

2. Medida de la aw

3. Aplicaciones de la awindustria alimentaría industria alimentaría, farmacéutica, cosmética, veterinaria y química

Fundamentos básicos sobre aw Webinar, 10 de julio de 2014

aw versus Contenido de HumedadwCONTENIDO DE HUMEDAD

• Cantidad cuantitativa de agua en una muestra sobre unaCantidad cuantitativa de agua en una muestra sobre unabase “seca” o “húmeda”

• Una propiedad extensiva que depende de la cantidadp p q pde material

ACTIVIDAD DE AGUA aACTIVIDAD DE AGUA aw Medida cualitativa, mide estado del agua en un

sistemasistema Una cualidad interna que no depende de la cantidad

de materialde material


Definición de actividad de aguaDefinición de actividad de aguaLa actividad de agua (aw) es una medida del estado de energíadel agua en un sistema

aw = f/fo = p/po

del agua en un sistema

w o p po

Presión de vapor de agua en la muestra @ °Caw = ——————————————————

Presión de vapor de agua en la muestra @ C

Presión de vapor del agua pura @ misma °C

ERH (%) /100aw = ERH (%) /100


aw

a p/p

w

aw = p/po

Producto Agua

1. Equilibrio2. Temperatura y presión constantes y conocidas

WaterMoleculeDemostration.wmv

2. Temperatura y presión constantes y conocidas


Contenido de HumedadContenido de Humedad Medida cuantitativa de la cantidad de agua Medida empírica, carece de patrones estándar Técnicas de medida

Perdida por secado – Ecuación de Fick Valoración (Karl Fischer)


Sistema de Queso y Galletas Crackers Sistema de Queso y Galletas Crackers CRACKERS Inicial Final QUESO Inicial Final

Humedad (%) 4 20

0 30 0 75

Humedad (%) 60 30

0 90 0 75aw 0,30 0,75 aw 0,90 0,75

Contenedor de la ed

ad

Hum

edad

de la Muestra

Exceso de Sal

Hum

e

TiempoTiempo pTiempo


¿Pregunta?La galleta y el queso se colocan juntos

¿Pregunta?

Galleta

20% Humedad

Queso

30% Humedad20% Humedad 30% Humedad

¿Hacia dónde se mueve el agua?Fundamentos básicos sobre aw Webinar, 10 de julio de 2014

Ventajas de la awVentajas de la aw

La aw proporciona información detallada de:

• Desarrollo Microorganismos

• Migración de HumedadMigración de Humedad

• Estabilidad Química

• Estabilidad Bioquímica

• Propiedades Físicas

• Vida Útil

EL CONTENIDO DE AGUA, NO!,Fundamentos básicos sobre aw Webinar, 10 de julio de 2014

Isoterma de Sorción de HumedadIsoterma de Sorción de HumedadIsoterma de Sorción Típica

Milk Powder Malto 16.5 Infant Formula Drink Mix Fiber Powderp

20

25

15

20tent (d.b.)

10

oisture Cont

Actividad de Agua

5

Mo

Actividad de Agua0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Water Activity


y

Factores que Controlan la awFactores que Controlan la aw

Efectos coligantes o interacciones en Solutos Efectos dePropiedades Enlazantes del AguaEfectos coligantes o interacciones en Solutos, Efectos decapilaridad, Interacciones de superficie o efecto MatrizLa combinación de esos factores en los alimentos reduce laLa combinación de esos factores en los alimentos reduce laenergía del agua al compararla con agua pura

Efecto de la TemperaturaLa aw depende de la Temperatura, al influir en:La aw depende de la Temperatura, al influir en:

uniones del agua, disociación del agua, solubilidad desolutos en agua, estado de la matriz (cristalina o amorfa)

El efecto de la temperatura en la aw es específico de cadaproducto


Efecto de la TemperaturaEfecto de la Temperatura

Contenido constante de agua

Aumento de la temperatura

Actividad de aguaActividad de agua


¿Por qué es necesario medir la aw?¿Por qué es necesario medir la aw?

R l t CE 2073/2005

ALIMENTOS POTENCIALMENTE PELIGROSOS aw 0,85 Clasificación Alimentos FAO: Reglamento CE 2073/2005Clasificación Alimentos FAO: Altamente perecederos aw > 0,9 De humedad intermedia (IMF) aw = 0,6-0,9 Autoestables aw < 0,6

Productos de calidadProductos de calidad


Medida de la aww

Métodos de Medida de la aw–Higrómetros de cabello o polímero–Diferencia en punto de congelaciónEquilibrio Isopiéstico–Equilibrio IsopiésticoHigrómetros EléctricosPunto de Rocío (Dew Point)Punto de Rocío (Dew Point)

Requerimientos para medir correctamenteEstándares de CalibraciónPreparación de las muestrasTemperatura de las muestrasTemperatura de las muestras


Sensores de Propiedades EléctricasSensores de Propiedades EléctricasLa humedad cambia las propiedades eléctricas de un materialhigroscópico que está en equilibrio con el aire de la cámarahigroscópico que está en equilibrio con el aire de la cámara

VENTAJASE tit d ±0 02– Exactitud = ±0,02aw

– Relativamente Insensible a los volátiles– Miden el intervalo completo de awp w– Buena relación funcionamiento / precio

INCONVENIENTES–Método de medida secundario Pawkit

–Es necesario compensar la temperatura del sensor–El sensor puede presentar histéresis


Punto de Rocío (Dew Point)Punto de Rocío (Dew Point)La muestra se equilibra en unacámara sellada que contiene uncámara sellada que contiene unespejo sobre el que condensa elvapor de agua. Espejo

Sensor optico

Ventiladorp gEn el equilibrio, la HR del aire enla cámara es igual que la aw del t

Termistor

la muestra.Una célula fotoeléctrica y untermistor detectan el punto Muestratermistor detectan el puntoexacto en el que se produce lacondensación y la temperatura, Punto de Rocío, funcionamiento yrespectivamente.

Punto de Rocío, funcionamiento


AquaLab PRE y S4 Familia S4AquaLab PRE y S4 Familia S4PRE

Ventilador

Espejo

EspejoVentilador

Sensor optico

Ventilador

Espejo

Termistor Sensor

infrarrojo

Sensor óptico


Punto de Rocío (Dew Point)Punto de Rocío (Dew Point)Ventajas

é d d f i• Método de referencia• Intervalo de aw (0,03 – 1,0aw)

Má i tit d ± 0 003• Máxima exactitud ± 0,003aw• Lecturas rápidas <5min• Elevada fiabilidad• Elevada fiabilidad

DesventajasjNecesita un espejo limpioLas lecturas se ven afectadas por la presencia decompuesto orgánicos volátiles (alcohol o propilen glicol)


Recomendaciones para medir awNormativas• AOAC (Association of Analytical Communities) 978 19

Recomendaciones para medir aw

AOAC (Association of Analytical Communities) 978.19• ISO 7218 (Microbiology of food and animal feeding stuffs - General rules for microbiological examinations.

InternationalOrganizationforStandardization)• Norma ISO 21807:2004 (Microbiologyoffoodandanimalfeedingstuffs-Determinationofwateractivity)• European Pharmacopoeia 7.1 (2.9.39Water-solidsInteractions)• ISO 29621 (Cosmetics - Microbiology - Guidelines for the risk assessment and identification of microbiologically

low-riskproducts)

BUENAS PRÁCTICAS DE MANEJO• Limpieza y mantenimiento fácil

P t l tá d d lib ió• Patrones o sales estándar de calibración• Calibración/verificación por el usuario fácil y rápida

PREPARACIÓN DE LAS MUESTRASPREPARACIÓN DE LAS MUESTRASTEMPERATURA DE LAS MUESTRAS


LimpiezaLimpieza


PatronesPatronesSuspensiones de SALESSATURADAS

Soluciones de SALES NOSATURADASSATURADAS

Sal aw a 25CLiCl 0,113 0,003

SATURADAS

Ecuación de Robinson y Stokes( f M )LiCl 0,113 0,003

MgCl 0,328 0,002K2CO3 0,432 0,004Mg(NO ) 0 529 0 002

aw = exp(-nfcMw)n,número de partículas activas por molécula de soluto (2para NaCl)Mg(NO3)2 0,529 0,002

NaCl 0,753 0,001KCl 0,843 0,003K SO 0 973 0 005

f, coeficiente osmóticoc,concentración del soluto (mol kg-1)Mw , peso molecular del agua (0,018 kg mol-1)

K2SO4 0,973 0,005

Adaptado de Greenspan, L. (1977)

Robinson, R.A. and Stokes, R.H. (1965)


Verificación del medidorVerificación del medidorMEDIR EL PATRÓN DE VERIFICACIÓN

Limpiar

Incorrecto

(± 0 003 a )Correcto

Repetir el proceso

LimpiarLimpiar

Correcto

(± 0,003 aw)

(± 0,003 aw)MEDIR OTRO

PATRÓN

MEDIR DE NUEVO ELPATRÓN DE

VERIFICACIÓNVERIFICACIÓN

Incorrecto

AJUSTAR LADESVIACIÓN

LISTO PARA MEDIR


Correcta preparación de muestrasCorrecta preparación de muestrasPREPARA LAS MUESTRAS SIEMPRE DE LA MISMA FORMA

– Emplear muestras representativas– Prevenir el intercambio de humedad con el medio

if i d l l á d– Diferencia de temperatura entre la muestra y la cámara demedida < 2ºC

– No es recomendable picar/triturar las muestras se puede– No es recomendable picar/triturar las muestras, se puedeproducir un aumento de temperatura


Productos Cárnicos0,788 aw

0,86 aw

0 92 a

Productos Cárnicos

0,827 aw

0 853 a

0,92 aw

0,866 aw

0,853 aw 0,984 aw

0,976 aw

0,861 aw0,876 aw

0 891 a0 887 a 0 941 0,891 aw0,887 aw 0,941 aw


Productos de panadería y bolleríaProductos de panadería y bollería0,98 aw

0,80 aw0,76 aw

0,81 aw

0,68 aw

0,8 aw

0,78 aw

0,945 aw

0 80 0 84 a

w

0,80 – 0,84 aw

0,92 aw


QuesosQuesos

0,94 aw

0,955 a0,90 aw0 88 0 93

0,97 aw

0,94 aw aw0,90 aw

0,92 aw

0,92 aw0,88 – 0,93 aw0,94 aw

0,92 aw


Bollería IndustrialBollería Industrialaw

Bizcochos 0,761

Croissants 0,845

Sobaos con mantequilla 0,737

Magdalenas Cuadradas 0,779

Boer Triple chocolate 0,364

Rosquillas de Cuaresma 0,809

Tarta de Manzana 0,809

Hojaldre de cabello de angel0,814

Hojaldre con sésamo 0,338


Embutidos curadosaw

Embutidos curados

Cabeza de lomo loncheada Cortada 0,911Triturada 0,913

Morcón loncheado Cortado 0,904Triturado 0,905

Fuet extra sin pimienta Cortado 0,789

Longaniza tradicional lonchas Cortado 0,907

Longaniza de Vic Cortado 0,904

Jamón Serrano en lonchas Cortado 0,907


Cápsulas y Cápsulas y comprimidos

aw

Comprimido Entero 0,296Cortado 0,305

Comprimido Entero 0,158Cortado 0,274

Cápsula Entera 0,380Contenido 0,381


Aplicaciones de la actividad de agua Crecimiento Microorganismos

Aplicaciones de la actividad de agua

Estabilidad Química y Bioquímica

P i d d Fí i Propiedades Físicas

Isotermas de Sorción de Humedad


Seguridad microbiológicaSeguridad microbiológicaSólo en los Estados Unidos:76 millones de casos de enfermedades76 millones de casos de enfermedades325.000 hospitalizaciones y 5.000 muertes anuales

Fuente: Centro para Control de Enfermedades (CDC)

REGULACIONES ALIMENTARIAS– http://www.aesan.msc.es/AESAN/web/cadena_alimentaria/subdetalle/crit

erios microbiologicos vida util.shtmlerios_microbiologicos_vida_util.shtml– CFR - Code of Federal Regulations Title 21, (approval as food additives

(21 CFR 570, 571 and 573). Colorings must have approvals for that use asspecified in 21 CFR 70 and be listed in Parts 73 74 or 81)specified in 21 CFR 70 and be listed in Parts 73, 74, or 81)

– Reglamento (CE) no 882/2004 y 669/2009– APCC – análisis de puntos críticos de controlREGULACIONES COSMÉTICASREGULACIONES COSMÉTICAS– ISO 29621 Cosmetics — Microbiology — Guidelines for the risk

assessment and identification of microbiologically low-risk products


Valores de aw límiteValores de aw límite


Desarrollo de microorganismos

f

Desarrollo de microorganismos

Efectos de distintosvalores de aw sobre lascurvas de crecimientocurvas de crecimientode Staphylococcusaureus

Adapted from Troller, J. A. (1987). Adaptation and growth of microorganisms in environments withreduced water activity. In: Water activity: Theory and applications to food Rockland, L. B. and Beuchat, L.

d l kk kR. eds. Marcel Dekker, Inc.New York p.101-117.


Estabilidad Química y BioquímicaEstabilidad Química y Bioquímica• Oscurecimiento No Enzimático• Oxidación Lipídica• Degradación de Nutrientes• Degradación de Nutrientes• Reacciones Enzimáticas


Oscurecimiento No EnzimáticoOscurecimiento No EnzimáticoDiagrama de Velocidad de Reacción de oscurecimiento

Reacción

cidad Re

lativa de

Actividad de Agua

Veloc


Oxidación LipídicaOxidación LipídicaUna de las principales causas de deterioro de alimentos.Produce:Produce:

Olores y sabores desagradablesDisminución de la calidad nutricionalAlgunos productos son potencialmente tóxicos

Todas las etapas se ven afectados por la aw y la Temperatura


Degradación de NutrientesDegradación de NutrientesLa degradación de las vitaminasaumenta al aumentar la awwEjemplo: disminución de la cantidad deVitamina C con el paso del tiempo

Degradación del ácidoAscórbico a distintos

l d °valores de aw y a 35°CLabuza, T. P. 1974. Storage stability andimprovement of intermediate moisture foods. NASimprovement of intermediate moisture foods. NASContract 9-125-60, Phase II, Final Report:10-81.


Estabilidad Química y BioquímicaLa aw es un indicador que permite predecir qué tipo dereacciones ocurrirán en base a la composición del producto

Estabilidad Química y Bioquímica

reacciones ocurrirán, en base a la composición del producto

La aw influye en la velocidad dew ylas reacciones.El agua puede actuar como:

S l tSolventeReactivoCambia la movilidad de los Cambia la movilidad de los reactantes (viscosidad)


Actividad Enzimática Actividad Enzimática

Drapron, R. (1985) Enzyme activity a function of water activity. In Properties of Water in Foods.Simato, D. and Multon, J.L. (ed.), Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht, The Netherlands.


aw versus Propiedades Físicasw pModificaciones en la Textura

Migración de humedadApelmazamiento y aglomeraciónApelmazamiento y aglomeración


TexturaTexturaProductos Duros o Crujientes• Valores de a bajos• Valores de aw bajos• Se quiebran cuando se les aplica

fuerza, son crujientesue a, so c uj e tes• Se ablandan cuando se someten a

aw elevadas

Productos Suaves o Blandos- aw de intermedio a altow- Se doblan cuando se les aplica

presiónú- Son húmedos, jugosos y suaves

- Se endurecen cuando se someten aa bajasaw bajas


Migración de HumedadMigración de HumedadLa migración de humedad lleva a:

bi l• cambios en la textura• crecimiento microorganismos• reacciones de degradación• reacciones de degradación• cambios organolépticos

Ejemplos de sistemas Multi-componenteQ / ll t l f t Queso/galletas, cereales con frutas, masas horneadas – rellenos, masa para pizza congelada – salsas para pizza congelada salsas, helados con barquillo, sandwiches, bocadillos …


ApelmazamientoApelmazamientoEl apelmazamiento es un proceso que depende de la aw, eltiempo y la temperatura

Etapas de un proceso de apelmazamiento:Humedecimiento

tiempo y la temperatura

Humedecimiento

Formación de uniones

Aglomeración

Compactaciónp

DeliquescenciaEste problema es omnipresente en las industrias alimentariaEste problema es omnipresente en las industrias alimentariay farmacéutica


Isotermas de sorción de HumedadIsotermas de sorción de HumedadCada producto tiene su propia y ú i I d S ió d 25

Ingredient 1 Ingredient 2 Combined

única Isoterma de Sorción de Humedad – debido a las diferentes interacciones

15

20

25

nt (%

w.b

.)

diferentes interacciones (coligativas, capilaridad, …) entre el agua y los componentes 0

5

10

ure

Con

ten

g y psólidos a diferentes contenidos de humedad

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Moi

stu

Water Activity


Transición VitreaTransición Vitrea20

d.b.)

10

15

Con

tent (% d

0

5

Moisture

Actividadde aguaCritica

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity


La aw como herramienta de controlw

Cumplir con leyes y normativas

Ensayos de Vida Útil

Formulación de ProductosFormulación de Productos

Inspección de Ingredientes

Control de Proceso

Control de Calidad


Tecnología de BarrerasTecnología de BarrerasLa tecnología de barreras es hoydía la forma común dedía la forma común deconservación de los alimentos.

I t dif t ét d dIntegra diferentes métodos deconservación aplicados deforma combinada sobre elforma combinada sobre elalimento.


Formulación de Producto (I+D+i)Formulación de Producto (I+D+i)Diseño y formulaciónde nuevos alimentos yde nuevos alimentos yproductos

Si se comienza con elSi se comienza con elconcepto de awentonces los nuevosentonces los nuevosproductos seránseguros, tendrán unamáxima vida útil y seránde la más alta calidad

Los datos de la aw se pueden ser usar para predecir riesgos ocambios potenciales en nuevos productos


Incorporar la aw en el control de calidadIncorporar la aw en el control de calidadTodos los datos tienen el

i á da mismo estándar

En todos los nivelesaw I + D + I

R organizativos se emplea el mismo equipo

awREVISAR LA ENTRADADE MATERIA PRIMA

Todos los datos estánrelacionados directamentecon la seguridad del producto

aw EN CONTROL DEPROCESOS con la seguridad del producto

Las especificacionesl i d l id útil

aw PRODUCTOACABADO relacionadas con la vida útil

del producto puedencomprobarse 5 min antes de

ASEGURAR CALIDAD

ACABADO

aw comprobarse 5 min antes de comercializar el producto

Fluidez y actividad de agua en productos en polvo Webinar, 12 de junio de 2014

Puntos críticos de control, aw y pH Medidas preventivas

Puntos críticos de control, aw y pH

para controlar el desarrollo de Salmonella enteritica Salmonella enteritica, Staphylococcus aureusy Listeria y Listeria monocytogenesdurante la elaboración de productos cárnicos fermentados


Ensayos de Vida útil i l

Tiempo de conservación de und h d l

Ensayos de Vida útil Aspecto sensorial (color, olor, textura)

producto hasta que se produce eldeterioro, caracterizado por unconjunto de cambios que lo hace Carga

Aspectos sanitariosconjunto de cambios que lo hace

inaceptable para el consumomicrobiológica

Conocer los mecanismos queConocer los mecanismos queproducen la pérdida de laaceptabilidad permite plantearaceptabilidad permite plantearestrategias para aumentar la vidaútil que no afecten a lascaracterísticas nutricionales ysensoriales del alimento


¿Cómo mejorar el envase? Ejemplo: un productor de leche en polvo quiere saber mássobre el material de envasado especialmente bajo

¿Cómo mejorar el envase?

sobre el material de envasado, especialmente bajocondiciones extremas

10

12

14

% w

b)

y = 2.59x + 2.89R2 = 0.976

8

10

re C

onte

nt (%

0

2

4

Moi

stur

aw crítica = 0,430

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Water Activity


G a ia a i ti al webi aGracias por asistir al webinar

LabFerrerEspecialistas en actividad de agua (aw) & Isotermas de sorción

Email: info@lab-ferrer com

AquaLab ‐ DECAGON DEVICES Inc.

Email: info@lab ferrer.comWeb: www.lab-ferrer.com


fundamentos básicos sobre actividad de agua (aw). principios y aplicaciones en industria...

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