La actividad del agua ( a w ) es la presión de vapor parcial del agua en una solución dividida por la presión de vapor parcial del agua en estado estándar . En el campo de la ciencia de los alimentos , el estado estándar se define con mayor frecuencia como agua pura a la misma temperatura . Usando esta definición particular, el agua destilada pura tiene una actividad de agua de exactamente uno. La actividad del agua es la actividad termodinámica del agua como solvente y la humedad relativa del aire circundante después del equilibrio. A medida que aumenta la temperatura, a w generalmente aumenta, excepto en algunos productos con sal cristalina o azúcar .
El agua migra desde áreas con una a w alta a áreas con una a w baja . 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 una a w más baja tienden a soportar menos microorganismos ya que estos se desecan por la migración del agua.
La definición de w es donde p es la presión parcial de 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 donde l w es el coeficiente de actividad del agua y x w es la fracción molar de 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 (ERH) y generalmente se expresa como un porcentaje. [1] Es igual a la actividad del agua según La vida útil sin moho estimada (MFSL) en días a 21 °C depende de la actividad del agua según [2]
La actividad del agua es una característica importante para el diseño de productos alimenticios y la seguridad alimentaria. [ cita requerida ]
Los diseñadores de alimentos utilizan la actividad del agua para formular alimentos estables en el tiempo . Si un producto se mantiene por debajo de una determinada actividad del agua, se inhibe el crecimiento de moho, lo que da como resultado una vida útil más larga . [ cita requerida ]
Los valores de la actividad del agua también pueden ayudar a limitar la migración de humedad dentro de un producto alimenticio elaborado con diferentes ingredientes . Si las pasas de uva con una mayor actividad de agua se envasan con hojuelas de salvado con una menor actividad de agua, el agua de las pasas de uva migra a las hojuelas de salvado con el tiempo, lo que hace que las pasas de uva se endurezcan y las hojuelas de salvado se empapen. Los formuladores de alimentos utilizan la actividad del agua para predecir cuánto afecta la migración de humedad a su producto. [ cita requerida ]
La actividad del agua se utiliza en muchos casos como un punto crítico de control para los programas de Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control (HACCP). Periódicamente se toman muestras del producto alimenticio del área de producción y se analizan para garantizar que los valores de la actividad del agua se encuentren dentro de un rango específico para la calidad y seguridad de los alimentos. Las mediciones se pueden realizar en tan solo cinco minutos y se realizan regularmente en la mayoría de las principales instalaciones de producción de alimentos. [ cita requerida ]
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 de cada producto alimenticio. WJ 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. Está firmemente establecido que el crecimiento de las bacterias se inhibe con valores específicos de actividad del agua. Las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) para alimentos con un contenido de humedad intermedio se basan en estos valores.
La reducción de la actividad del agua de un producto alimenticio no debe considerarse una medida letal. Los estudios realizados con leche en polvo muestran que pueden existir células viables con valores de actividad del agua mucho más bajos, pero que nunca crecen. [ cita requerida ] Con el tiempo, los niveles bacterianos disminuyen.
Los valores de actividad del agua se obtienen mediante un electrolítico resistivo, un capacitancia o un higrómetro de punto de rocío .
Los higrómetros electrolíticos resistivos utilizan un elemento sensor en forma de electrolito líquido que se mantiene entre dos pequeñas varillas de vidrio por medio de la fuerza capilar. El electrolito cambia su resistencia si absorbe o pierde vapor de agua. La resistencia es directamente proporcional a la humedad relativa del aire y, por lo tanto, también a la actividad del agua de la muestra (una vez que se establece el equilibrio vapor-líquido ). Esta relación se puede comprobar mediante verificación o calibración utilizando mezclas saturadas de agua y sal, que proporcionan una humedad del aire bien definida y reproducible en la cámara de medición. [ cita requerida ]
El sensor no tiene ninguna histéresis dada físicamente como es conocido en los higrómetros y sensores capacitivos, y no requiere limpieza regular ya que su superficie no es el elemento de detección efectivo. Los volátiles, en principio, influyen en el rendimiento de la medición, especialmente aquellos que se disocian en el electrolito y, por lo tanto, cambian su resistencia. Tales influencias se pueden evitar fácilmente utilizando filtros de protección química que absorban el compuesto volátil antes de llegar al sensor. [ cita requerida ]
Los higrómetros de capacitancia constan de dos placas cargadas separadas por un dieléctrico de membrana de polímero . A medida que la membrana adsorbe agua, su capacidad para retener una carga aumenta y se mide la capacitancia. Este valor es aproximadamente proporcional a la actividad del agua, determinada por una calibración específica del sensor . [ cita requerida ]
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 aw ) . Deben someterse a controles de calibración periódicos y pueden verse afectados por el agua residual en la membrana de polímero (histéresis).
La temperatura a la que se forma el rocío sobre 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 luego para encontrar la humedad relativa de la cámara mediante gráficos psicrométricos .
Este método es teóricamente el más preciso (+/- 0,003 aw ) y, a menudo, el más rápido. Es necesario limpiar el sensor si se acumulan residuos en el espejo.
Con cualquiera de los dos métodos, se debe establecer un equilibrio vapor-líquido en la cámara de muestra. Esto se logra con el tiempo o se puede lograr añadiendo un ventilador a la cámara. También se debe lograr el equilibrio térmico , a menos que se mida la temperatura de la muestra. [ cita requerida ]
La actividad del agua está relacionada con el contenido de agua en una relación no lineal conocida como curva isoterma de sorción de humedad . Estas isotermas son específicas de la sustancia y la temperatura. Las isotermas se pueden utilizar para ayudar a predecir la estabilidad del producto a lo largo del tiempo en diferentes condiciones de almacenamiento. [ cita requerida ]
Existe evaporación neta de una solución con una actividad de agua mayor que la humedad relativa de sus alrededores. Existe absorción neta de agua por una solución con una actividad de agua menor que la humedad relativa de sus alrededores. Por lo tanto, en un espacio cerrado, se puede utilizar una solución acuosa para regular la humedad. [3]
El agua es necesaria para la vida en todas sus formas conocidas actualmente en la Tierra . Sin agua, la actividad microbiana no es posible. Incluso si algunos microorganismos pueden conservarse en estado seco (por ejemplo, después de la liofilización ), su crecimiento no es posible sin agua. [ cita requerida ]
Los microorganismos también requieren espacio suficiente para desarrollarse. En formaciones de bentonita y arcilla profunda altamente compactadas, 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 controlada por la 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. [11] La diagénesis biótica temprana de sedimentos justo debajo del fondo del océano 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. [12]
En la superficie de los planetas y en sus atmósferas no existen restricciones espaciales, por lo tanto, el factor limitante último es la disponibilidad de agua y, por ende, la actividad del agua. [ cita requerida ]
La mayoría de los microorganismos extremófilos necesitan suficiente agua para ser activos. El umbral de actividad del agua para su desarrollo es de alrededor de 0,6. La misma regla también debería aplicarse a otros planetas distintos de la Tierra. Después de la tentadora detección de fosfina (PH 3 ) en la atmósfera de Venus , en ausencia de un mecanismo químico conocido y plausible para explicar la formación de esta molécula, se ha sospechado la presencia de microorganismos en suspensión en la atmósfera de Venus y la hipótesis de la formación microbiana de fosfina ha sido formulada por Greaves et al. (2020) de la Universidad de Cardiff, que prevén la posibilidad de una ventana habitable en las nubes venusianas a una determinada altitud con un rango de temperatura aceptable para la vida microbiana. [13]
Hallsworth et al. (2021) de la Escuela de Ciencias Biológicas de la Queen's University 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. [14] Por lo tanto, con una actividad de agua en las nubes de Venus 100 veces menor que el umbral de 0,6 conocido en las condiciones de la Tierra, la hipótesis planteada por Greaves et al. (2020) para explicar el origen biótico de la fosfina en la atmósfera de Venus queda descartada. [ cita requerida ]
Las mediciones directas de la atmósfera venusiana realizadas por sondas espaciales indican que las condiciones son muy duras, lo que probablemente convierte a Venus en un mundo inhabitable, incluso para las formas de vida más extremas conocidas en la Tierra. La actividad hídrica extremadamente baja de la atmósfera desecada de Venus representa el factor limitante para la vida, mucho más severo que las condiciones infernales de temperatura y presión, o la presencia de ácido sulfúrico.
Los astrobiólogos consideran actualmente que podrían encontrarse condiciones más favorables en las nubes de Júpiter , donde podría prevalecer una suficiente actividad de agua en la atmósfera, siempre que se cumplan también en el mismo entorno las demás condiciones necesarias para la vida (suministro suficiente de nutrientes y energía en un medio no tóxico). [15] [16]
