Atividade de água e estabilidade dos alimentos UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS TP 244 – Embalagem e Estabilidade de Alimentos Atividade de água e estabilidade dos alimentos Veridiana de Carvalho Antunes Gisele M. de Paula Mendes OUTUBRO, 2008

Agenda Atividade de água: - Conceito e importância - Transformações em alimentos - Alterações microbianas e químicas Levantamento e aplicação de isotermas; Shelf life e controle da umidade; A escolha da embalagem x alimento

Atividade de água Conceito e importância A atividade e água (Aw) , ao contrário do conteúdo de umidade de um alimento, é que indica a disponibilidade de água para ocorrência de reações deteriorantes, como: escurecimento, oxidação, hidrólise, crescimento de microrganismos, etc. Apenas o conhecimento do teor de umidade não é suficiente para predizer a estabilidade de um alimento.

Atividade de água Conceito e importância A disponibilidade da água para a atividade microbiológica, enzinática ou química é que determina a vida-de-prateleira de um alimento, e isso é medido pela Aw. A Aw de uma forma quantitativa é representada como sendo proporcional à umidade relativa do ar em equilíbrio com o produto.

Atividade de água Conceito e importância A Aw é definida como “a razão da pressão de vapor da água no alimento e a pressão de vapor saturada da água na mesma temperatura” Aw = P Po Onde: P = pressão de vapor do alimento Po = pressão de vapor da água

Atividade de água Quando todos os pontos estão (estatisticamente) ocupados por água absorvida, o teor de umidade é chamado de valor de monocamada de BET (Brunauer-Emmett-Teller) (Fennema, 1996), esse valor representa o teor de umidade no qual o alimento está mais estável. Aw / m(1-aw) = 1/m1C + (C-1 / m1C ).aw Onde: Aw = atividade de água m = teor de umidade m1 = valor da monocamada de água C = constante

Atividade de água Conceito e importância Em teores de umidade abaixo do valor da monocamada de BET, existe uma maior taxa de oxidação de gorduras. E em teores mais altos, ocorre o escurecimento por Maillard e atividades enzimáticas e microbiológicas são estimuladas.

Atividade de água

Atividade de água Classificação dos alimentos em função da Aw Uma boa parte dos alimentos tradicionais, preservados pela redução da Aw, são desidratados, e encontram-se em uma faixa de Aw baixa. Em alguns casos a desidratação até baixos níveis, induz mudanças drásticas irreversíveis nos constituintes e estruturas do material, o que resulta em um alimento cujas características físicas e sensoriais não são aceitáveis pelo consumidor.

Atividade de água Classificação dos alimentos em função da Aw Outros exemplos de operações unitárias, menos drásticas, que reduzem a disponibilidade de água em alimentos são: evaporação, liofilização ou concentração por congelamento e aqueles que imobilizam a água no alimento pelo uso de umectantes em alimentos de umidade intermediária.

Atividade de água Classificação dos alimentos em função da Aw Os processos mais brandos produzem alimentos com Aw mais elevada e implicam na combinação de outros fatores para a preservação do desenvolvimento microbiológico. Esta classe de produtos é conhecida como alimentos de umidade intermediária, onde a atividade de água é um dos fatores que influem (combinada com outros como pH, conservantes, frio, etc.) na sua preservação.

Atividade de água Classificação dos alimentos em função da Aw Alimentos com Aw < 0,85 e até 0,60 Refere-se a alimentos como melaço, geléias, farinha, mel, frutas secas, caramelo, suco cítrico concentrado, goiabada, coco ralado, pescado salgado e outros. Não há crescimento de bactérias patogênicas, alguns bolores micotoxigênicos são xerófilos (capazes de crescer em Aw<0,85), embora não haja menções da produção de micotoxinas em Aw<0,80.

Atividade de água Classificação dos alimentos em função da Aw Alimentos com Aw<0,60 Estes são microbiologicamente estáveis, sem possibilidade de crescimento microbiano, a não ser que sejam hidratados devido ao armazenamento inadequado. A sobrevivência de células vegetativas de bactérias e de bolores e leveduras é variável, podendo estender-se de dias a meses, mas os esporos bacterianos podem permanecer viáveis durante anos.

Aw e transformações em alimentos Crescimento microbiano; Reações químicas: - reação Maillard e oxidação de lipídeos. Atividade enzimática.

Crescimento microbiano Cada microrganismo tem Aw máxima, ótima e mínima Bactérias + exigentes, seguidas dos bolores e leveduras Aw <0,60: cessa atividade microbiana, mas não implica em destruição dos mesmos

Crescimento microbiano Bactérias deterioradoras: faixa Aw 0,90-0,98 - Gram negativas: Pseudomonas spp: 0,96; Enterobacteriaceae: 0,93. - Gram positivas: - não esporogênicas: maior tolerância: Lactobacillaceae mínimo Aw=0,94; Micrococaceae crescem até Aw abaixo de 0,90. - bactérias esporogênicas: Bacillus spp, Aw de 0,94 a 0,89; limite mínimo mais freqüente 0,90 - 0,91.

Crescimento microbiano Bactérias patogênicas: faixa Aw 0,92-0,97 Staphylococcus aureus: - Crescimento: 0,86; - Produção de toxina: 0,93 Clostridium botulinum tipo E: 0,97 Salmonella spp, Yersinia enterocolítica: 0,95

Crescimento microbiano

Crescimento microbiano Bolores: 0,77-0,93 Leveduras : 0,62-0,90 Bactérias halofílicas: 0,75 Leveduras osmofílicas: 0,60 Fungos xerofílicos: 0,60-0,65 Tipo de soluto

Crescimento microbiano 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Atividade de água

Reações químicas Alguns conceitos importantes; - Mobilidade molecular (movimento das moléculas) - Tg: importante relação entre estabilidade e limite de difusão dos alimentos (tb relacioanda a mobilidade) - “Plastificação”: habilidade da umidade e outros aditivos aumentarem o movimento de polímeros (ex. caseinato) na matrix do alimento.

Reação de Maillard - Taxa muito baixa para Aw<0,2; - ↑ gradativo das taxas em função da mobilidade dos reativos até Aw=0,6; - ↓ gradativa das taxas para Aw>0,6 em função da diluição dos reativos; 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Atividade de água

Reação de Maillard Artigo: O papel da umidade na reação de Maillard: taxa de reação em alimentos de teor de umidade intermediária: comparação da fase solvente e das propriedades da matrix - hipótese: Aw sozinha não pode prever a taxa de ENE, sendo a solubilidade e localização dos reagentes com a fase solvente o fator chave para limitar a reação - sistema modelo (Sherwin e Labuza, 2003)

Reação de Maillard Resultados: - Curva Tg ↑ “plastificação” (mov.) com adição de glicerol e sorbitol; - Máx escurecimento com glicerol Aw=0,25 (1,5x > controle Aw=0,65); - Sorbitol = similar ao controle; - Plastificação e Aw: pobres preditores da taxa de reação; - A dissolução de glicose em glicerol explicam o efeito;

Reação de Maillard Conclusões - Máxima taxa de reação para sorbitol ocorre na mesma Aw que o controle e bem acima para glicerol; - Adição de umectante em uma formulação modelo causa significante “plastificação” e  curva Tg; - Sugere mecanismo molecular baseado na capacidade de se dissolver para ↑ o efeito da U em alimentos de teor de umidade intermediário

Oxidação Antioxidante em baixa Aw: A água pode ter um efeito anti e pro-oxidante quando o sistema passa de baixo a alta Aw: Antioxidante em baixa Aw: - hidratação dos traços de íons metálicos; - fazendo ligações de hidrogênio com os hidroperóxidos; - promovendo a recombinação de radicais livres. Pro-oxidante: - efeito plastificante promovendo mobilidade; - dissolvendo os catalisadores precipitados; - inchando a matrix dos alimentos expondo mais pontos reativos. (Labuza, 1975)

Oxidação - Altas taxas a baixa Aw (0 a 0,2); - Baixas taxas na faixa de 0,2 a 0,5; - Acima de 0,5 ↑ a mobilidade dos reativos = ↑ oxidação. 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Atividade de água

(Guerra e Lajolo, 2005 - UFPE) Oxidação Artigo: Ação antioxidante de especiarias face a diferentes Aw - Propriedades antioxidantes de algumas especiarias; - substrato oxidável foi utilizado o metil linoleato; (Guerra e Lajolo, 2005 - UFPE)

Oxidação Resultados: efeito protetor da Aw 0,52 em relação à Aw 0,75; efeito protetor crescente da água desde Aw 0,00 até Aw 0,30 – 0,50 = pontos de oxidação mínima; efeito pró-oxidante verificado acima de 4,5% de água (Aw=0,52); interação conjunta do antioxidante e da água ao nível de 5% de oxidação;

Oxidação Curva de oxidação em função da Aw

Oxidação Resultados: - tempo necessário para os sistemas padrão alcançarem 5% de oxidação Sistemas Aw 0,0 0,52 0,75 Controle 62 336 252 BHA 1100 1000 725 GP 136 592 570 Coentro: EA EE 88 296 196 512 154 260 Salsa: EA 74 250 - 290 340

Oxidação Conclusões A ação de antioxidantes depende da Aw, existindo regiões críticas onde a eficiência é máxima; BHA > proteção em baixas Aw; GP: mais eficiente nas Aw elevadas. O coentro e a salsa possuem compostos polares e apolares como antioxidante: - apolares (EE) são mais eficientes em baixas Aw tendo a sua ação diminuída com o aumento da água do sistema; com os polares (EA) ocorre o inverso.

Oxidação Conclusões Conhecimento da Aw crítica (ou onde a oxidação é mínima) = grande utilidade em termos de conservação de alimentos, na orientação dos processos de desidratação e na predição de embalagens. A escolha do agente protetor, atingiria o máximo de eficácia se fosse conhecida a Aw do alimento em questão.

Conteúdo de água x Aw x estrutura da água e estabilidade dos alimentos conteúdo de água não é suficiente para predizer a estabilidade do alimentos; Estrutura da água: 1 – interações hidrofóbicas 2 – interações hidrofílicas (Mohamed M., 2001)

Conteúdo de água x Aw x estrutura da água e estabilidade dos alimentos 1 – interações hidrofóbicas - ocorre devido a grupos apolares: metil; - hidrofobicidade das ptns podem originar estabilidade das emulsões. 2 – interações hidrofílicas - íons: imobilizam várias camadas de hidratação.

Conteúdo de água x Aw x estrutura da água e estabilidade dos alimentos Conclusões Conhecer a natureza e concentração de diferentes componentes e a estrutura da água são importantes para entender porque alguns alimentos são estáveis e outros não a mesma Aw. A mobilidade da água e sua disponibilidade para reações bioquímicas depende do tipo de interação com solutos.

Aw e transformações em alimentos Atividade enzimáticas - Baixa atividade a baixa Aw: baixa mobilidade (difusão de enzimas e substratos) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Atividade de água

Levantamento e aplicação de isotermas As isotermas são a representação gráfica da umidade relativa de equilíbrio ou da pressão parcial de vapor de um produto em função de seu teor de umidade a uma determinada temperatura. Elas podem ser de adsorção ou de desorção, segundo a determinação da umidade do produto tenha sido feita ao longo de um processo de umedecimento ou secagem.

Levantamento e aplicação de isotermas É muito comum haver diferenças entre as isotermas de adsorção e de desorção para um mesmo produto e em condições idênticas de determinação, sendo este fenômeno conhecido como histerese. Figura 1. Histerese em processo de sorção de umidade em produtos biológicos

Levantamento e aplicação de isotermas Vale destacar que o teor de umidade do produto que apresenta histerese é sempre menor no equilíbrio por adsorção do que na desorção. Figura 2. Isoterma de adsorção e desorção de umidade de banana desidratada em cilindro rotativo.

Levantamento e aplicação de isotermas Existe uma série de produtos em que o levantamento de suas isotermas torna-se uma tarefa muito difícil, devido à possibilidade de ao longo das determinações o produto, ou seus componentes, sofrerem mudanças de fase. Essas mudanças de fase dependem da presença de água e são muito comuns em substâncias mais puras, como por exemplo, os açucares e sais.

Levantamento e aplicação de isotermas A Figura 3 ilustra esse tipo de fenômeno no levantamento da isoterma de sacarose. Pode-se verificar que a sacarose cristalina adsorve muito pouca umidade até atingir uma atividade de água próxima de 0,8, quando então se inicia o processo de dissolução. A sacarose amorfa apresenta uma isoterma completamente diferente da cristalina, pois reterá muito mais umidade. Isto se deve à maior área interna disponível para adsorção de umidade na sacarose amorfa, como também à maior facilidade da água penetrar na estrutura de pontes de hidrogênio.

Levantamento e aplicação de isotermas As isotermas de sorção de umidade em alimentos tem inúmeras aplicações. Por exemplo, na concentração e desidratação de alimentos elas são importantes para o desenho do processo e dos equipamentos, uma vez que a maior ou menor facilidade de remoção de água do produto depende de sua pressão parcial de vapor e da energia de ligação da água no produto.

Levantamento e aplicação de isotermas Na Figura 4 apresenta-se esquematicamente a dependência do calor total de adsorção em relação a atividade de água, podendo-se verificar que abaixo do nível 0,4 de atividade de água, os valores se elevam até atingir um máximo aproximadamente a 0,10 – 0,15 de atividade de água, valores estes que correspondem à monocamada de água ligada em locais específicos do alimento. Este fato explica a necessidade de um maior dispêndio de energia ao final dos processos de secagem. Figura 4. Calor total de adsorção em função da atividade de água de materiais biológicos.

Levantamento e aplicação de isotermas A aplicação de isotermas pode ser útil também em misturas de diferentes materiais para preparação de um produto final, como, por exemplo, balas recheadas, misturas de frutas desidratadas, sopas desidratadas e outras. A isoterma de cada um dos componentes individuais da mistura permite prever o que ocorrerá após algum tempo da mistura, no que tange à migração de umidade de um componente para outro.

Levantamento e aplicação de isotermas Como por exemplo, na preparação de sopas desidratadas é possível prever a condição final da atividade de água do produto após equilíbrio, de uma forma aproximada, pela utilização das isotermas de cada componente. Este método procura utilizar as partes lineares das isotermas dos componentes. Figura 5. Representação gráfica de isotermas utilizada no cálculo de atividade de água de misturas.

Levantamento e aplicação de isotermas Conforme esquematizado na Figura 5, calcula-se a atividade de água da mistura pelo uso da seguinte equação: Aw= aw1S1W1 + aw2S2W2 + ..........awnSnWn S1W1 + S2W2 + ..........+SnWn Onde: aw1….awn = atividade de água dos componentes S1......Sn = inclinação das retas das isotermas dos componentes W1....Wn = peso de sólidos dos componentes

Shelf life e controle da umidade Efeitos da umidade na estabilidade do alimento. SABADINI et ali estudou as alterações da Aw e da cor da carne no processo de elaboração da carne salgada desidratada nos processos da salga seca e úmida nas temperaturas de 20oC e 10oC. Tanto a Aw como a diferença de cor da carne processada pode ser correlacionada com o teor de sal e são úteis no controle de qualidade do produto. Pelos resultados obtidos, sugere-se que no processamento industrial, a atividade de água venha a ser utilizada como parâmetro de definição dos produtos “jerked-beef’ e charque.

A escolha da embalagem x alimento “Os requisitos de barreira necessários a uma embalagem devem ser definidos para cada produto alimentar, considerando-se a sua composição, forma de apresentação, sistema de distribuição e tempo de vida útil desejado.” (GARCIA,1998)

A escolha da embalagem x alimento Principais materiais de alta barreira Tabela 1. Características de barreira de materiais 0,025mm ( 23°C/0% UR )

A escolha da embalagem x alimento Em relação à permeabilidade ao vapor de água, em geral, polietileno e polipropileno são boas barreiras e podem ser usados como camada barreira se for requerida somente proteção contra vapor de água. PVDC é o único polímero de alta barreira que tem excelente impermeabilidade, tanto ao oxigênio como ao vapor de água.

A escolha da embalagem x alimento O PVDC é comumente conhecido como SARAN, que foi o nome comercial do produto da DOW Chemical. A resina de PVDC pode ser processada por extrusão e laminação. Podem ser produzidos filmes por processo plano ou tubular, mono ou multicamadas. O PVDC é comumente utilizado em filmes coextrusados multicamadas, termoencolhíveis, para acondicionamento a vácuo de queijos e carnes. Também é usado em revestimento de filmes de BOPP, PET, OPA, PVC, filmes celulósicos, filmes metalizados e folha de alumínio. Na aplicação de revestimento, o PVDC pode ser usado para combinar barreira com termosselabilidade a si mesmo ou a outros substratos.

A escolha da embalagem x alimento O PEAD pode ser utilizado como filmes flexíveis, coextrusados ou laminados com outros componentes. Utilizado como camada termosselante. Também em apresentações de garrafas e frascos soprados e injetados, potes termoformados. Tem ampla utilização para produtos que requerem alta barreira ao vapor de água. Exemplo: Potes de margarina, garrafas de sucos pronto para beber, filmes para panificação.

A escolha da embalagem x alimento O PP também é muito utilizado para barreira ao vapor de água, em embalagens como filmes flexíveis, coextrusados ou laminados com outros componentes, tampas injetadas, garrafas e frascos soprados e injetados, potes termoformados. O BOPP é amplamente utilizado em filmes flexíveis, em monocamada simples ou metalizado, ou ainda em combinações com outros materiais. É amplamente utilizado na industria de biscoito, barras de cereias, pós e demais produtos seco.

A escolha da embalagem x alimento

A escolha da embalagem x alimento Steven e Hotchkiss, 2002 avaliou diferentes materiais de alta barreira ao vapor de água para as embalagens tipo “wrap around” (utilizadas no Brasil para biscoitos) e concluiram que o sistemas de selagem e dobras tem maior influencia na absorção de umidade do produto do que todos os materiais estudados.

Considerações finais Importante conhecer Aw , estrutura da água e Tg = mobilidade reagentes = estabilidade do alimento O conhecimento da Aw crítica, ou aquela em que as reações de degradação são mínimas é de grande utilidade em termos de conservação de alimentos, na orientação dos processos de desidratação e na predição de embalagens.