La actividad del agua ( aw ) 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 suele definirse como agua pura a la misma temperatura . Usando esta definición particular, el agua destilada pura tiene una actividad acuosa de exactamente uno. La actividad del agua es la actividad termodinámica del agua como disolvente y la humedad relativa del aire circundante después del equilibrio. A medida que aumenta la temperatura, la w suele aumentar, excepto en algunos productos con sal o azúcar cristalinos .
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 al aire húmedo ( a w ≈ 0,7), la miel absorbe agua del aire . Si el salami ( a w ≈ 0,87) se expone al aire seco ( a w ≈ 0,5), el salami se seca , lo que podría conservarlo o estropearlo . Las sustancias con menor aw tienden a albergar menos microorganismos , ya que estos se desecan con la migración del agua.
La definición de una w es
Una definición alternativa puede ser
Relación con la humedad relativa : la humedad relativa (RH) del aire en equilibrio con una muestra también se denomina humedad relativa de equilibrio (ERH) y generalmente se expresa como porcentaje. [1] Es igual a la actividad del agua según
La actividad del agua es una característica importante para el diseño de productos alimenticios y la seguridad alimentaria. [ cita necesaria ]
Los diseñadores de alimentos utilizan la actividad del agua para formular alimentos estables . Si un producto se mantiene por debajo de una determinada actividad acuosa, se inhibe el crecimiento de moho. Esto da como resultado una vida útil más larga . [ cita necesaria ]
Los valores de actividad del agua también pueden ayudar a limitar la migración de humedad dentro de un producto alimenticio elaborado con diferentes ingredientes . Si las pasas con una mayor actividad de agua se envasan con hojuelas de salvado con una menor actividad de agua, el agua de las pasas migra a las hojuelas de salvado con el tiempo, endureciendo las pasas y empapando los copos de salvado. Los formuladores de alimentos utilizan la actividad del agua para predecir cuánto afecta la migración de humedad a su producto. [ cita necesaria ]
La actividad del agua se utiliza en muchos casos como punto de control crítico 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 actividad del agua estén 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 periódicamente en la mayoría de las principales instalaciones de producción de alimentos. [ cita necesaria ]
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 estableció por primera vez 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 bacterias se inhibe en valores específicos de actividad del agua. Las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) para alimentos de humedad intermedia se basan en estos valores.
Reducir la actividad del agua de un producto alimenticio no debe verse como un paso mortal. Los estudios en leche en polvo muestran que pueden existir células viables con valores de actividad de agua mucho más bajos, pero que nunca crecen. [ cita necesaria ] Con el tiempo, los niveles bacterianos disminuyen.
Los valores de actividad del agua se obtienen mediante un electrolítico resistivo, un higrómetro de capacitancia o de punto de rocío .
Los higrómetros electrolíticos resistivos utilizan un elemento sensor en forma de electrolito líquido sostenido entre dos pequeñas varillas de vidrio mediante fuerza capilar. El electrolito cambia de resistencia si absorbe o pierde vapor de agua. La resistencia es directamente proporcional a la humedad relativa del aire y, por 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 salada, que proporcionan una humedad del aire bien definida y reproducible en la cámara de medición. [ cita necesaria ]
El sensor no tiene ninguna histéresis dada físicamente como se conoce por los higrómetros y sensores de capacitancia, y no requiere limpieza regular ya que su superficie no es el elemento sensor 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. Estas influencias pueden evitarse fácilmente utilizando filtros de protección química que absorban el compuesto volátil antes de llegar al sensor. [ cita necesaria ]
Los higrómetros de capacitancia constan de dos placas cargadas separadas por una membrana polimérica dieléctrica . A medida que la membrana absorbe agua, aumenta su capacidad para retener una carga y se mide la capacitancia. Este valor es aproximadamente proporcional a la actividad del agua determinada por una calibración específica del sensor . [ cita necesaria ]
Los higrómetros de capacitancia no se ven afectados por la mayoría de los 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 polimérica (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 . Luego, esta temperatura se usa para encontrar la humedad relativa de la cámara usando gráficos psicrométricos .
Este método es teóricamente el más preciso (+/- 0,003 aw ) y, a menudo, el más rápido. El sensor requiere limpieza si se acumulan residuos en el espejo.
Con cualquiera de los métodos, se debe establecer el equilibrio vapor-líquido en la cámara de muestra. Esto se lleva a cabo con el tiempo o puede verse favorecido agregando un ventilador a la cámara. También se debe lograr el equilibrio térmico a menos que se mida la temperatura de la muestra. [ cita necesaria ]
La actividad del agua está relacionada con el contenido de agua en una relación no lineal conocida como curva isotérmica de sorción de humedad . Estas isotermas son específicas de cada sustancia y 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 necesaria ]
Hay evaporación neta de una solución con una actividad de agua mayor que la humedad relativa de su entorno. Hay una absorción neta de agua por una solución con una actividad de agua menor que la humedad relativa de su entorno. Por 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 actualmente conocidas 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 necesaria ]
Los microorganismos también necesitan suficiente espacio para desarrollarse. En bentonitas altamente compactadas y formaciones arcillosas profundas, 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 de los poros. Así, las "restricciones de espacio y agua" son dos factores limitantes de la actividad microbiana en los sedimentos profundos. [11] La diagénesis biótica temprana de los 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 vida microbiana. [12]
En la superficie de los planetas y en su atmósfera no existen restricciones de espacio, por lo que el factor limitante último es la disponibilidad de agua y, por tanto, la actividad del agua. [ cita necesaria ]
La mayoría de los microorganismos extremófilos necesitan suficiente agua para estar activos . El umbral de actividad del agua para su desarrollo ronda el 0,6. La misma regla debería aplicarse también a otros planetas además de la Tierra. Tras la tentadora detección de fosfina (PH 3 ) en la atmósfera de Venus , a falta 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 se ha planteado 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 de Venus a una cierta altitud con un rango de temperatura aceptable para la vida microbiana. [13]
Hallsworth y cols. (2021) de la Facultad 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 extremófilos conocidos. [14] Así, con una actividad de agua en las nubes de Venus 100 veces inferior al umbral de 0,6 conocido en las condiciones terrestres, la hipótesis prevista por Greaves et al. (2020) para explicar el origen biótico de la fosfina en la atmósfera de Venus. [ cita necesaria ]
Las mediciones directas de la atmósfera de Venus realizadas por sondas espaciales apuntan a condiciones muy duras, que probablemente hagan de Venus un mundo inhabitable, incluso para las formas de vida más extremas conocidas en la Tierra. La bajísima actividad de agua de la atmósfera desecada de Venus representa el factor más 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 se podrían encontrar condiciones más favorables en las nubes de Júpiter , donde podría prevalecer una actividad de agua suficiente en la atmósfera, siempre que en el mismo entorno se cumplan otras condiciones necesarias para la vida (suficiente suministro de nutrientes y energía en un ambiente no medio tóxico). [15] [16]
