Attività dell'acqua e stabilità dei prodotti alimentari

ATTIVITA' DELL'ACQUA E STABILITA'

L'ACQUA

1. Solvente (sali, vitamine, zuccheri, gas, pigmenti)
2. Capacità di ionizzazione (H3O+, OH )
3. Influenza la struttura e la consistenza
4. Influenza le reazioni chimiche (per es .: idrolisi): reagente e prodotto di
   reazioni
5. Necessaria per per le attività biologiche (es. microrganismi) e
   biochimiche (es. enzimi)

L'acqua ha un ruolo importantissimo nella maggior parte delle operazioni di trasformazione degli alimenti
A livello chimico interagisce in diversa maniera con le componenti alimentari

LEGAME IDROGENO

Legame di natura elettrostatica e si forma tra gli atomi di idrogeno elettropositivi e gli
atomi di ossigeno elettronegativi.
L'energia di legame è circa il 5-10% di un legame covalente.
Legame idrogeno = 12-25 KJ/mol.
Legame covalente C-C: 347-356 KJ/mol ; H-H: 436 KJ/mol.
8
O
O
1
-H
H
1
H
8+
8+
8-
H.
---
- H
8+
.
8-
O
H
H
H
H
H -.

L'ACQUA e GLI ALIMENTI

E' il maggior costituente di molti alimenti

L'ACQUA: DESCRITTORI

E' importante misurarla e misurarne gli
effetti .. ma .. Come? (diversi descrittori)

1. Contenuto di acqua -> Semplice concettualmente e come determinazione
2. Attività dell'acqua, aw (1950's) > Descrive gli effetti dei soluti e l'interazione
   solute/solvent e le differenze tra i vari alimenti
3. Molecular mobility (Slade & Levine, 1988) ->
   - Descrive gli alimenti come matrici polimeriche e l'acqua come il
   plastificante chiave
   - I passaggi allo stato vetroso spiegano alcune irregolarità nei dati di a,
   W

IL CONTENUTO D'ACQUA

E' importante sapere quanta acqua c'è negli alimenti
Prodotti con molta acqua
> in genere microbiologicamente poco stabili
Alimenti con poca acqua
> in genere microbiologicamente
molto stabili
Ma è sufficiente questo
parametro per descrivere la relazione tra acqua e stabilità dell'alimento?

L'ACQUA E LA STABILITA'

Non tutta l'acqua presente negli alimenti è uguale da un punto di vista chimico-fisico.
Negli alimenti l'acqua si può trovare in due forme: "libera", cioè trattenuta
all'interno dell'alimento da strutture fisiche in grado di «bloccarla», e "legata",
ovvero fissata da componenti dell'alimento grazie a veri e propri legami chimici.
E' proprio la frazione di acqua definita "libera" a partecipare alle varie reazioni
di alterazione, e che quindi deve essere quantificata per valutare la stabilità di
un prodotto alimentare.
Il parametro che oggi viene considerato utile per la valutazione della stabilità di
un alimento è l'attività dell'acqua (aw).

ATTIVITA' DELL'ACQUA

L'attività dell'acqua di un alimento è definita come il rapporto tra la pressione parziale
dell'acqua sull'alimento e la pressione parziale dell'acqua pura alla stessa temperatura.
aw =
P
Po
0
UR%
100
Pressione parziale acqua sull'alimento
Pressione parziale acqua pura alla stessa temperatura
Si può esprimere come:
aw =
Umidità relativa dell'ambiente
all'equilibrio con l'alimento
L'acqua pura ha un valore di aw=1; qualsiasi aggiunta di sostanze in grado di legare l'acqua fa sì
che p < po e, quindi, che aw<1.
L'abbassamento del valore di aw in un alimento si può ottenere sottraendo l'acqua, congelandolo o
aggiungendo sostanze in grado di legare l'acqua.

L'ACQUA E LA STABILITA'

L'acqua libera (non legata) può partecipare (e quindi favorire):

• Sviluppo microbico
• Reazioni enzimatiche
• Reazioni chimiche

L'attività dell'acqua (aw) è quindi una misura di quanto l'acqua è disponibile
per queste reazioni.

ALIMENTI E AW

100
Type I
Bound
Type II
Multilayer Water
Fruits & Vegetables
Milk
I
o
8
Water
Yogurt
Lunchmeat
60
0
Potato Chips
Crackers
Cookies
Breakfast Cereals
Hard Candy
Chewing Gum
Raisins
Fruit Snacks
Marshmallows
Twinkies
Bread
Type III
Free
0
Water
0.0
0.25
0.50
0.75
1.0
Water Activity
Il contenuto d'acqua e l'aw sono due parametri ben diversi: uno indica la quantità,
l'altro indica in che misura tale quantità è legata alla matrice o libera di reagire
(concetto termodinamico)
Jelly
Pepperoni
Cheese
20
.
% Moisture Content (wb)

ALIMENTI E AW: Texture

Region 1
(low moisture)
dry
hard
crisp
shrunken
Region 2
(intermediate moisture)
dry
firm
flexible
Water Content
-
Region 3
(high moisture)
moist
soft
flaccid
swollen
sticky
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
aw
FIG. 4.1 Food textures as a function of localized water sorption isotherms.
(Plotted from data of Rockland, 1969.)
A seconda del legame chimico tra acqua e matrice, le proprietà meccaniche (reologiche e di
texture) del prodotto saranno diverse

ACQUA: DIVERSI STATI

• Zona III: Acqua libera, trattenuta fisicamente dalla matrice (es: canali sierosi)
  ma non legata chimicamente alle componenti dell'alimento si comporta come
  solvente, simile all'acqua pura.
• Zona II: Acqua legata debolmente (acqua multistrato), ha limitata capacità
  solvente, è legata alla matrice da deboli forze elettrostatiche, la maggior parte
  non congela fino a -40℃.
• Zona I: Acqua legata fortemente ai gruppi idrofilici, carichi e polari, di
  componenti della matrice come proteine e polisaccaridi (acqua monostrato),
  non si comporta come solvente, non congela fino a -40℃.

Aw e MAPPA DI STABILITA'

Labuza et al., 1972
ZONE I
ZONE II
ZONE III-
RELATIVE REACTION RATE
LIPID OXIDATION
1
.HYDROLYTIC
REACTIONS
1
NON-ENZYMIC
BROWNING
1
1
1
-
/MOISTURE
CONTENT
ISOTHERM
.MOLD GROWTH
YEAST GROWTH
BACTERIA
GROWTH
MOISTURE CONTENT
ENZYME ACTIVITY
0
Q1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
WATER ACTIVITY
Descrive la relazione tra attività dell'acqua e velocità di reazioni enzimatiche, chimiche e crescita
microbica

Aw e STABILITA' MICROBIOLOGICA

>
La maggior parte dei batteri cresce bene ad a >0,98
Nessun organismo cresce ad a <0,60.
> La maggior parte dei batteri è inibita a d < 0,90 (i più resistenti
oltre agli alofili sono Vibrio, Enterobacter, Listeria, S. aureus)
> Al di sotto dei limiti di aw i microorganismi non muoiono (no
effetto battericida), semplicemente non si duplicano
(importante per ingredienti)
ZONE I -
ZONE II
Se un ingrediente secco viene reidratato
(es: latte in polvere ricostituito), l'a, tornerà a valori
non limitanti la crescita microbica ed i microrganismi
presenti nel prodotto saranno nuovamente in grado
di crescere.
-- ZONE III-
RELATIVE REACTION RATE
LIPID OXIDATION
HYDROLYTIC
REACTIONS
NON-ENZYMIC
BROWNING
/MOISTURE
CONTENT
ISOTHERM
-
MOISTURE CONTENT
MOLD GROWTH
YEAST GROWTH
BACTERIA
GROWTH
0 01 0.2 0.3 0.4 0.5
0.6
07 0.8
1.0
WATER ACTIVITY
ENZYME ACTIVITY

ALIMENTI E AW: Temperatura

18
16
.
Moisture content (%, wet basis)
14-
20°C
12
30°C
10
8
6
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Water activity (ERH/100)
FIGURE 4.25 Water activity for Australian barley varieties at 20℃ and 30℃. (From L. Caddick. Water Activity and
Equilibrium Relative Humidity, CSIRO Australia: Stored Grain Research Laboratory, 2001.)
L'aw è un concetto termodinamico e pertanto il suo valore dipende dalla temperatura.
A temperature maggiori l'aw di una matrice sarà maggiore, in quanto le molecole
d'acqua presenti avranno maggiore reattività.

ALIMENTI E AW: Contenuto e Legame

Umidità: 18%
a : 0.60
Umidità: 5%
aw: 0.60
Alimenti con contenuti di
acqua simili possono avere
aw diverse e viceversa: tutto
dipende da come l'acqua è
legata alla matrice
Umidità: 88%
aw: 0.99
Umidità: 82%
aw: 0.99

Aw e PATOGENI

TABLE 20.2
Minimal aw for Growth and Toxin Production by Bacteria of Public Health Concern

TABLE 20.3
Minimal aw for Growth of Foodborne Pathogens in Laboratory Media at Optimum pH and Temperature

Patogeno più tollerante a bassi valori di aw: S. aureus (aw minima: 0.86-0-87)

Aw e STABILITA' MICROBIOLOGICA: Valori Minimi

Valori minimi di aw
per la crescita dei microrganismi

• Batteri
  0,91
• Lieviti
  0,88
• Muffe
  0,80
• Batteri alofili
  0,75
• Muffe xerofile
  0,65
• Lieviti osmofili
  0,60

SALE

• ALOFILI: microrganismi che amano (tollerano facilmente) il sale
• ALOTOLLERANTI: microrganismi che pur potendo crescere in presenza di alte
  concentrazioni di sale, presentano valori ottimali di concentrazioni di NaCl basse (es:
  Staphylococcus aureus)

ZUCCHERO

C

• OSMOFILI: microrganismi che crescono in presenza di elevate concentrazioni zuccherine

ACQUA

[

• XEROFILI: microrganismi che prediligono basse concentrazioni di acqua (ambienti secchi,
  in grado di crescere a valori di aw inferiori a 0,61

Aw e STABILITA' MICROBIOLOGICA: Agenti Deterioranti

Aw e STABILITA' MICROBIOLOGICA: Crescita

Number of growing microbes
Most bacteria, some yeasts,
pathogenic and spoilage organisms
>0.95
Most cocci, lactobacilli, some molds, Salmonella,
lactic acid bacteria are major spoilage flora
0.91-0.95
Most yeasts, mycotoxin-producing molds,
spoilage often by molds and yeasts
0.87-0.90
Staphylococcus aureus may grow
>0.86
Most molds, no growth of pathogenic
bacteria
0.80-0.87
Most halophilic bacteria
Growth
0.75-0.80
Xerophilic molds
0.65-0.75
Osmophilic yeasts
0.60-0.65
No
<0.65
growth
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Water activity