Ya vimos que la actividad de agua (aw) determina qué tan estable y seguro es un alimento. Pero esa cifra, por sí sola, es una fotografía fija. Lo que realmente necesita un tecnólogo de alimentos para diseñar un proceso de secado, elegir un envase o predecir cuánto durará un producto en el punto de venta es saber cómo cambia la humedad de un alimento cuando cambian las condiciones del ambiente que lo rodea. Esa relación es exactamente lo que describen las isotermas de sorción.
¿Qué es una isoterma de sorción?
Una isoterma de sorción es una curva que representa, a una temperatura constante, la relación de equilibrio entre el contenido de humedad de un alimento y su actividad de agua (aw) — o, de forma equivalente, la humedad relativa del aire que lo rodea en equilibrio. El término «sorción» es genérico y engloba dos procesos complementarios:
- Isoterma de adsorción: describe cómo un alimento gana humedad (se hidrata) al exponerse a un ambiente más húmedo que su propio equilibrio interno. Parte típicamente de un alimento seco.
- Isoterma de desorción (o absorción): describe cómo un alimento pierde humedad (se deshidrata) al exponerse a un ambiente más seco. Parte típicamente de un alimento húmedo.
Ambas curvas se construyen colocando muestras del alimento en cámaras cerradas a distintas humedades relativas constantes hasta que alcanzan equilibrio higroscópico, y midiendo el contenido de agua final en cada punto — el llamado método gravimétrico, aunque hoy existen equipos automatizados que registran ambas curvas en un solo ensayo.
La forma típica de la curva
En la mayoría de los alimentos, la curva no es una línea recta sino una sigmoide (forma de «S»), que se puede dividir en tres zonas:
- Zona de baja aw (agua fuertemente ligada): la humedad crece muy lentamente al aumentar la aw. Corresponde al agua de la «monocapa» — la más fuertemente unida a los grupos polares del alimento (proteínas, almidones). Es la fracción más difícil de eliminar y la última en desaparecer durante un secado.
- Zona intermedia (multicapas de agua): la pendiente se hace más pronunciada; el agua empieza a formar capas adicionales sobre la monocapa, con menor energía de unión.
- Zona de alta aw (agua libre o capilar): pequeños cambios de humedad relativa provocan grandes cambios en el contenido de agua del alimento — es la región de agua libre, disponible para reacciones y crecimiento microbiano, coherente con lo que vimos en el post sobre <a href=»/actividad-de-agua-alimentos»>actividad de agua</a>.
En productos ricos en proteína, como leche en polvo, se observa además un cambio de pendiente marcado alrededor de aw = 0,5, punto donde comienza a formarse activamente la multicapa de agua y el agua empieza a quedar atrapada dentro de las cadenas proteicas.
El fenómeno de histéresis
Un hallazgo característico —y muy relevante en la práctica— es que la curva de adsorción y la de desorción no coinciden exactamente: para un mismo valor de aw, el contenido de humedad medido en desorción suele ser mayor que en adsorción. Esta diferencia se llama histéresis de sorción.
La explicación tiene que ver con cambios estructurales irreversibles: durante la desorción (el alimento perdiendo agua), ocurren interacciones entre sus componentes que hacen que algunos sitios polares donde antes ocurría la adsorción se «pierdan» o queden menos accesibles. Como resultado, cuando ese mismo alimento seco vuelve a hidratarse (adsorción), no recupera exactamente la misma capacidad de retener agua que tenía en su estado original. La histéresis suele ser más marcada en rangos de aw intermedios a altos (por encima de 0,5 en varios productos lácteos estudiados) y prácticamente desaparece en los extremos de la curva.
Por qué importa esto en la práctica: si diseñas un proceso de secado (desorción) y luego calculas cuánta humedad recuperará ese producto en almacenamiento (adsorción) usando la misma curva, vas a subestimar el riesgo — un alimento deshidratado puede ganar humedad de forma distinta a como la perdió.
Modelos matemáticos más usados
Dado que las isotermas rara vez siguen una ecuación simple en todo su rango, se han desarrollado numerosos modelos matemáticos para ajustarlas. Los dos con mayor aplicación histórica en alimentos son:
- Modelo BET (Brunauer-Emmett-Teller): describe bien la formación de la monocapa de agua y es útil sobre todo en la zona de baja-media aw, pero pierde precisión a valores altos.
- Modelo GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer): una extensión del BET que ajusta con buena precisión prácticamente todo el rango de aw (0 a 0,9-0,95), lo que lo convirtió en el estándar más usado tanto en investigación como en la industria alimentaria.
Existen además otros modelos empíricos y semiempíricos —Oswin, Smith, Henderson, Caurie, Peleg, entre otros— que en ciertos productos (como harinas, café o bioplásticos comestibles) pueden ajustar mejor que GAB según el rango de aw y el tipo de matriz alimentaria, por lo que la elección del modelo suele validarse experimentalmente para cada producto.
Para qué se usan en la práctica
Las isotermas de sorción no son solo un ejercicio académico: son una herramienta de diseño con aplicaciones muy concretas:
- Diseño de procesos de secado: permiten predecir hasta qué contenido de humedad hay que llevar un producto para alcanzar una aw objetivo, y estimar cuánto tiempo y energía tomará el proceso.
- Selección de envases: ayudan a elegir materiales con la barrera al vapor de agua adecuada, prediciendo cuánta humedad ganará o perderá el producto dentro del empaque a lo largo de su vida útil.
- Definición de condiciones de almacenamiento: permiten calcular la humedad relativa crítica por encima de la cual un alimento deshidratado empieza a absorber agua peligrosamente (riesgo de apelmazamiento, pérdida de crocancia o reactivación microbiana).
- Formulación de mezclas de ingredientes: cuando se combinan ingredientes con distinta aw en un mismo producto (por ejemplo, una barra de cereal con frutos secos y chocolate), las isotermas ayudan a anticipar la migración de humedad entre componentes durante el almacenamiento.
- Cálculo del calor isostérico de sorción: a partir de isotermas obtenidas a distintas temperaturas (mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron) se puede estimar la energía necesaria para eliminar agua a distintos niveles de humedad — un dato clave para optimizar el consumo energético en plantas de secado industrial.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre isoterma de adsorción y de desorción? La isoterma de adsorción describe cómo un alimento gana humedad al exponerse a un ambiente más húmedo (partiendo de un estado seco); la de desorción describe cómo la pierde al exponerse a un ambiente más seco (partiendo de un estado húmedo).
¿Qué es la histéresis en las isotermas de sorción? Es la diferencia entre las curvas de adsorción y desorción: para un mismo valor de actividad de agua, el contenido de humedad suele ser mayor en desorción que en adsorción, debido a cambios estructurales irreversibles en el alimento durante el secado.
¿Qué modelo matemático se usa más para ajustar isotermas de alimentos? El modelo GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer) es el más usado por ajustar bien prácticamente todo el rango de actividad de agua, aunque en productos específicos otros modelos como BET, Oswin o Peleg pueden dar mejor ajuste.
¿Para qué sirven las isotermas de sorción en la industria alimentaria? Sirven para diseñar procesos de secado, elegir envases con la barrera de humedad adecuada, definir condiciones seguras de almacenamiento y predecir la vida útil de un producto frente a cambios de humedad ambiental.
