O excesso de embalagem reduz os lucros

Por que realizar testes de prazo de validade? Uma embalagem inadequada permite que a atividade da água nos produtos alimentícios aumente ou diminua com o tempo — causando alterações físicas indesejáveis, migração de umidade, degradação química e suscetibilidade ao crescimento microbiano. Por outro lado, o excesso de embalagem é caro e pode corroer os lucros. Como determinar a quantidade exata de embalagem necessária para o seu produto? Todas essas questões são controladas pela atividade da água. Se você compreender como a atividade da água funciona, poderá desenvolver e embalar produtos que permaneçam seguros e atraentes durante toda a sua vida útil — sem gastar demais.

O que é exatamente o prazo de validade?

O prazo de validade é o período durante o qual um produto permanece em condições aceitáveis. Seu produto pode apresentar algumas alterações durante o prazo de validade, mas o fim desse prazo é definido como o momento em que o produto deixa de ser aceitável para os consumidores. As alterações inaceitáveis podem incluir características sensoriais, perda de estabilidade química, alteração nas propriedades físicas, crescimento microbiano, degradação de vitaminas e muito mais.

Passo 1: Identifique o que encurta o prazo de validade

O primeiro passo para determinar o prazo de validade é identificar o que encerra o prazo de validade do seu produto. Existem três fatores principais que influenciam o prazo de validade:

• Propriedades microbianas: fungos ou bactérias potencialmente perigosas que se proliferam até atingirem níveis perigosos no seu produto.
• Alterações químicas: escurecimento, oxidação lipídica, reações enzimáticas e outras
• Deterioração física: alterações na textura, aglomeração, migração de umidade e outros.

Esses três fatores podem ser intrínsecos ao próprio produto — ou seja, à sua composição. Ou podem ser extrínsecos — relacionados às condições de armazenamento, especialmente a umidade e a temperatura de armazenamento, ou ao tipo de embalagem. Todos os três fatores estão ligados à atividade da água — e podem ser controlados por ela.

Assista ao vídeo abaixo para ver como a atividade da água é usada para prever, prevenir e controlar os fatores que reduzem o prazo de validade.

Conheça os fundamentos das atividades aquáticas neste webinar de 20 minutos. Você aprenderá:

• O que é uma atividade aquática
• Em que difere do teor de umidade
• Por que controla o crescimento microbiano
• Como compreender a atividade da água pode ajudá-lo a controlar a umidade em seu produto.

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A Figura 1 é um diagrama de estabilidade que mostra a atividade da água e o teor de umidade. A atividade da água é representada no eixo x, enquanto o eixo y ilustra as taxas de reação (pense no teor de umidade como um aumento na taxa de reação). A curva em azul escuro é uma isoterma genérica de sorção de umidade. Uma isoterma de sorção de umidade ilustra a relação entre a atividade da água e o teor de umidade em um produto. As outras curvas representam modos de falha. É possível observar que a taxa de crescimento de fungos, leveduras e bactérias aumenta exponencialmente à medida que a atividade da água aumenta. A taxa de atividade enzimática começa a aumentar significativamente logo abaixo de 0,9 e continua a aumentar à medida que a atividade da água aumenta. No entanto, a oxidação lipídica é diferente. Em atividades da água muito baixas, ela é alta, mas, à medida que a atividade da água aumenta para cerca de 0,3 a 0,5, ela se torna estável. Acima de 0,5, a oxidação lipídica volta a aumentar. As reações de escurecimento atingem o pico em aproximadamente 0,6. A seção sombreada em azul na Figura 1 ilustra que, em uma faixa de atividade da água de 0,3 a 0,5, podem ocorrer deterioração física ou alterações na textura: perda de crocância, aglomeração ou colapso da matriz alimentar.

Passo 2: Descubra a atividade de água crítica do seu produto

Conforme ilustrado acima, cada tipo de falha do produto está associado a uma atividade de água específica. Essa atividade de água é conhecida como atividade de água crítica, ou RHc. A atividade de água crítica é o valor exato da atividade de água no qual ocorrerá uma alteração indesejável no seu produto. Por exemplo, alterações físicas são identificadas por uma mudança nas propriedades de sorção, resultando, em última instância, em uma alteração na textura. Essa alteração ocorrerá em uma determinada atividade de água específica para o seu produto, e o seu produto será mais estável abaixo dessa atividade de água crítica. Uma isoterma de sorção de umidade (Figura 2) ajuda a identificar qual é a_RHc do seu produto.

A Figura 2 é um gráfico que mostra várias isotermas de sorção de umidade geradas pelo AQUALAB VSA. Ela representa a atividade da água no eixo x e o teor de umidade no eixo y. A linha azul média ilustra que o leite em pó tem uma atividade da água crítica de cerca de 0,42. Como é possível saber isso? Por volta de 0,42, observa-se um grande aumento no teor de umidade com um pequeno aumento na atividade da água. É nesse ponto que começam a ocorrer aglomeração e formação de grumos.

Curiosamente, o leite em pó apresenta uma segunda atividade de água crítica entre 0,7 e 0,8, onde a cristalização começa a ocorrer. No caso dos cereais (linha azul escura), a atividade de água crítica é de aproximadamente 0,5._{A umidade relativa de equilíbrio (RHc)} das rações sem grãos está mais próxima de 0,7 devido ao crescimento microbiano. As empresas de rações para animais de estimação precisam manter-se abaixo desse nível. A sacarose tem uma atividade de água crítica de cerca de 0,85, onde ocorre um aumento repentino no teor de umidade com apenas um pequeno aumento na atividade de água.

Observe também que a atividade de água crítica depende da temperatura. À medida que a temperatura do produto aumenta, a atividade de água crítica diminui. Portanto, é importante conhecer_{a umidade relativa de equilíbrio (RHc)} e as condições de armazenamento do produto (temperatura). Assim, é possível combinar a formulação do produto e a embalagem de forma a manter a atividade de água crítica abaixo do limite durante toda a produção e o prazo de validade.

Etapa 3: Realizar testes acelerados de vida útil (se necessário)

Os testes acelerados de vida útil exigem que você primeiro identifique qual(is) modo(s) de falha é(são) mais provável(is) e, em seguida, avalie quando e por que ocorre(m). É possível que haja mais de um modo de falha. Se não tiver certeza de qual falha ocorrerá primeiro, todos os níveis de modos potenciais deverão ser monitorados durante o teste.  Por exemplo, se o crescimento microbiano for um modo de falha, você precisará compreender os limites de atividade da água para o crescimento microbiano (assista ao vídeo para saber mais sobre os limites de crescimento microbiano).

Se a ranço for o seu tipo de deterioração, então os níveis de oxidação devem ser medidos. Se uma alteração na textura encurtar o prazo de validade, você precisará de uma isoterma de sorção de umidade (ver Figura 2). No caso da degradação de vitaminas, você deverá medir os níveis de vitaminas. Mudanças de cor podem ser avaliadas usando imagens de cor (também chamadas de colorimetria). E reações enzimáticas podem ser avaliadas observando-se a atividade enzimática. Após identificar que tipo de dados você precisa coletar, você pode realizar testes acelerados de vida útil para identificar a faixa ideal de atividade da água para o seu produto. O gráfico a seguir ilustra alguns cenários de como um processo de teste acelerado de vida útil pode se parecer após a identificação do(s) seu(s) modo(s) mais provável(is) de falha.

Como realizar testes acelerados de vida útil

O objetivo dos testes acelerados de prazo de validade é obter dados empíricos para o seu produto específico. E isso é importante. Às vezes, o prazo de validade é determinado analisando-se produtos semelhantes no mercado e relacionando esse prazo com o seu próprio produto. No entanto, é melhor utilizar o seu próprio produto final ao determinar o prazo de validade. Isso é feito através da coleta de dados empíricos e, em seguida, relacionando esses dados com_{a umidade relativa do ar (RHc)} específica, dependente da temperatura, na qual o produto apresenta falha.

Utilizando a atividade da água (_aw), as etapas básicas para os testes de validade acelerados são:

Aqui estão os detalhes sobre como configurar um teste:

Testes “acelerados” significam elevar a temperatura e a atividade da água para que os processos ocorram mais rapidamente. Como_{a umidade relativa de equilíbrio (RHc)} diminui à medida que a temperatura aumenta, você selecionará três níveis diferentes de atividade da água e três temperaturas diferentes, mantendo o produto em uma combinação de cada um desses três parâmetros (nove subamostras) até que o produto se torne indesejável. Durante esse período, você acompanhará o progresso do modo de falha escolhido. Por exemplo, se estiver monitorando a oxidação lipídica, você medirá o nível de oxidação até que se torne inaceitável para o consumidor. (Você decide o que é “inaceitável”, já que algumas alterações ocorrem no produto quando ele ainda é aceitável.) Com o tempo, colete dados de tempo versus quantidade de alteração para determinar a taxa. Em seguida, modele os dados coletados levando em conta o tempo, a temperatura e a atividade da água. Ao alcançar essa correlação, você será capaz de modelar a vida útil e as taxas de reação para o seu modo de falha.

Exemplo 1: fórmula infantil

Para entender como isso funciona, vamos examinar um teste com fórmula infantil realizado na AQUALAB. Esse estudo foi publicado e pode ser consultado na edição de 2017 da Shelf-Life International Meeting. A fórmula infantil foi mantida em três temperaturas elevadas (30, 37 e 45 °C) e três atividades de água diferentes (0,43, 0,50 e 0,65). Configuramos nove subamostras diferentes usando uma combinação desses fatores. Colocamos o produto em recipientes selados com uma solução salina saturada na base, que produziria a atividade de água específica que nos interessava. Em seguida, colocamos os recipientes em fornos ajustados às temperaturas corretas e monitoramos as mudanças.

Escolhemos a oxidação lipídica como o mecanismo de deterioração da fórmula infantil e monitoramos os valores de T-bar para determinar quando a oxidação atingia um nível inaceitável. Para este experimento, um nível inaceitável foi definido como um miligrama de malondialdeído por quilograma. Em seguida, analisamos a taxa de reação para cada uma dessas combinações de temperatura e atividade da água. Determinamos isso utilizando a inclinação da curva de tempo em função do valor de T-bar e, neste caso, observou-se uma relação linear.

No entanto, nem sempre é assim. Às vezes, trata-se de uma reação de primeira ordem, o que significa que a relação será mais exponencial. Mas, no nosso caso, a relação era linear, o que facilitou muito a criação de um modelo hidrotermal temporal para a fórmula infantil (e-mail [email protected] para obter uma cópia do estudo: Um Modelo Higrotermal para Prever a Vida Útil da Fórmula Infantil, de Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Shyam S. Sablani).

Exemplo 2: chips de couve

Um fabricante de chips de couve constatou que o prazo de validade do produto era de apenas 30 dias, devido à perda de textura e ao aparecimento de mofo. Esse prazo de 30 dias dificultava o envio do produto para destinos distantes. Como ele pode aumentar o prazo de validade do produto?

Para isso, ele deve determinar a partir de qual nível de atividade da água as batatas fritas correm risco de crescimento microbiano. De acordo com os limites de atividade da água para o crescimento microbiano publicados na literatura (ver Tabela 1), se ele mantiver a atividade da água do seu produto abaixo de 0,7, não haverá crescimento microbiano. Qualquer valor acima disso representa risco de mofo.

O próximo passo é determinar em que nível de atividade da água as batatas fritas perdem a textura. Para descobrir isso, o fabricante precisa de uma isoterma de sorção de umidade que indique exatamente quando ocorrerá essa mudança na textura (Figura 4).

A Figura 4 mostra uma isoterma para um chip de couve, com a atividade da água no eixo x e o teor de umidade no eixo y. Visualmente, pode-se supor que a perda de textura ocorre em um ponto de inflexão na curva, onde as propriedades de sorção aumentam drasticamente. No entanto, é difícil identificar exatamente esse ponto; portanto, a maneira mais simples é realizar uma avaliação da segunda derivada nessa inclinação. Uma avaliação da segunda derivada analisa a inclinação para determinar quando ocorre uma mudança na inclinação, indicando uma mudança na absorção de umidade (Figura 5).

Na derivada segunda, à direita da Figura 5, o primeiro pico corresponde à_RHc. Como se pode observar ao compará-la com a isoterma à esquerda, há uma boa correlação. Assim, se o fabricante de chips de couve conseguir manter os chips abaixo dessa atividade de água crítica de 0,57, eles manterão sua textura crocante e não serão mais suscetíveis ao crescimento microbiano. É fácil manter os níveis corretos de atividade de água usando um medidor de atividade de água AQUALAB 4TE (assista ao vídeo para ver como ele funciona).

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Etapas 4 e 5: Determinar o prazo de validade desejado e calcular a embalagem

Depois de determinar a atividade crítica da água, você poderá realizar cálculos de prazo de validade. As equações de prazo de validade levam em conta vários fatores diferentes. Um dos primeiros fatores é a embalagem do seu produto. Toda embalagem possui uma taxa de transmissão de vapor de água (Figura 6).

Em qualquer ambiente, há uma certa quantidade de água no ar, ou seja, a umidade relativa (UR). A embalagem que você escolher permite que apenas uma determinada quantidade dessa água passe e interaja com o seu produto. Isso geralmente é medido em gramas por metro quadrado por dia. Seu fornecedor de embalagens testa a embalagem sob determinadas condições (geralmente cerca de 38 graus Celsius e 90% de umidade relativa). Essas condições serão levadas em conta nos cálculos de prazo de validade. Além disso, você precisa saber a área da superfície da embalagem em metros quadrados e a massa do produto dentro da embalagem.

Outras informações necessárias são as condições de armazenamento do produto: temperatura, umidade e pressão atmosférica. A pressão atmosférica depende da altitude e também pode variar de acordo com as condições climáticas.

Por fim, você precisará saber a atividade de água do seu produto. Isso inclui a atividade de água inicial e também a atividade de água crítica.

Equações de prazo de validade de forma simples

Existem várias equações envolvidas nos cálculos da vida útil que estão além do escopo deste artigo (leia sobre elas aqui). Mas há uma maneira mais simples.  Um programa de software chamado Moisture Analysis Toolkit fará esses cálculos automaticamente para você**.** Basta inserir as variáveis de um produto, e o kit de ferramentas determina a situação ideal para sua embalagem, permitindo até mesmo que você varie os parâmetros de análise e encontre a embalagem que oferece o melhor retorno sobre o investimento. Abaixo estão capturas de tela extraídas diretamente do software para mostrar como ele funciona.

O software solicitará que você insira a taxa de transmissão de vapor de água, a temperatura e a umidade do teste (geralmente cerca de 38 graus Celsius com 90% de umidade). Em seguida, você deverá inserir as condições de armazenamento do seu produto e algumas informações sobre o próprio produto. Na Figura 7, colocamos o produto em um local com 60% de umidade e 100 kilopascais de pressão atmosférica. O produto pesa 454 gramas e é armazenado em um ambiente a 30 graus Celsius. Você calcula a área da superfície da embalagem e, em seguida, insere as atividades da água inicial e crítica. Usando o software, você pode selecionar rapidamente o arquivo de isoterma salvo anteriormente (a isoterma do seu produto é calculada automaticamente e armazenada no software usando o instrumento AQUALAB VSA).

Depois de inserir as informações, clique em “Calcular”, e o software fornecerá uma estimativa do prazo de validade (neste caso, 30 dias). Para alterar ou prolongar o prazo de validade, procure embalagens com uma taxa de transmissão de vapor de água menor.

Se você quiser aumentar o prazo de validade, pode usar outra calculadora do kit de ferramentas de análise de umidade, projetada especificamente para esse cenário (Figura 8).

A Figura 8 mostra que, para obter um prazo de validade de 180 dias, é necessário que a embalagem tenha um WVTR de 1,3. Você pode levar essa informação ao seu fornecedor de embalagens e informar que precisa de uma embalagem com esse WVTR para atingir o prazo de validade desejado.

A Tabela 2 apresenta uma comparação entre alguns materiais de embalagem comuns.

É importante saber que essas taxas de transmissão de vapor de água foram obtidas a 38 °C e 90% de umidade relativa. Mas nem sempre é assim. Às vezes, elas são obtidas a 30 °C e 75% de umidade relativa. Observe também que esta tabela está em unidades métricas, e é assim que o software faz o cálculo, mas, às vezes, a WVTR é indicada em gramas por metro quadrado por 24 horas. Ou pode estar em unidades padrão, como polegadas quadradas. Portanto, é importante que as unidades estejam corretas ao inserir o WVTR para o material de embalagem. Observe que o polipropileno tem um WVTR de 8,2, mas um polipropileno orientado e com uma camada metalizada tem o WVTR reduzido para 1,0. É bom entender que tipo de embalagem você precisa, pois não se quer uma embalagem insuficiente. Usando os chips de couve como exemplo, a Figura 8 mostra que, com um WVTR de embalagem de 7,5, o fabricante de alimentos só consegue manter o produto por 30 dias. Mas se o fabricante escolher uma embalagem com um WVTR de 1,3, o produto durará seis meses. No entanto, observe que quanto menor o WVTR, maior será o custo; portanto, não use embalagem excessiva, ou você pagará por uma embalagem desnecessária.

Passo 6: Reavaliar após alterações na formulação

O kit de ferramentas de análise de umidade facilita o cálculo do efeito das alterações nos ingredientes sobre o prazo de validade. É possível calcular a atividade de água final de uma mistura ou receita sem sequer fabricar o produto. Para isso, é necessária uma isoterma para cada um dos ingredientes. A Figura 9 mostra como o kit de ferramentas de análise de umidade prevê a atividade de água final caso um tempero seja adicionado ao produto final.

No canto superior esquerdo, você insere os diferentes ingredientes. No canto inferior esquerdo, aparecem os resultados. Para 450 gramas de chips de couve, inserimos a atividade de água inicial e a massa para descobrir o que acontece com a atividade de água ao adicionar cinco gramas de alho em pó. Após inserir as informações, clique em “calcular”, e o software fornece uma nova atividade de água final para a mistura. Na Figura 9, a atividade da água diminuiu ligeiramente. O software também informa o teor de umidade final dos chips de couve e do alho. O gráfico à direita mostra como as isotermas estão sendo combinadas (os chips de couve são a curva azul e o alho é a curva verde). A curva vermelha é uma isoterma combinada, e o programa também fornece a atividade da água em equilíbrio (0,449), que será a atividade da água final da mistura.

Passo 7: Comprovar as previsões de prazo de validade por meio de testes empíricos

Os exemplos acima ilustram como o VSA e o kit de ferramentas de análise de umidade podem acelerar os processos de pesquisa e desenvolvimento e prever como a atividade da água em um produto irá se alterar. Mas, se você ainda não realizou testes de prazo de validade, precisará testar suas previsões. O software do kit de ferramentas de análise de umidade é excelente para manipular parâmetros e fornecer respostas rápidas, mas trata-se, de fato, de previsões baseadas em equações matemáticas. Você precisará realizar testes empíricos para comprovar que sua formulação e embalagem são exatamente o que você precisa.

Por que realizar testes de prazo de validade?

Historicamente, poucos fabricantes têm tomado decisões científicas sobre embalagem e prazo de validade. Muitas empresas exageram na embalagem para evitar problemas e só fazem alterações quando estes ocorrem. No entanto, o excesso de embalagem pode reduzir significativamente os lucros. Assim, quando é necessário um equilíbrio habilidoso entre custo e qualidade, informações científicas precisas ajudam a melhorar os resultados financeiros. A título de recapitulação, eis os passos para determinar o prazo de validade e a embalagem.

1. Identifique os fatores que encurtam o prazo de validade (modos de falha: saiba mais sobre eles no Guia Completo sobre Prazo de Validade da Food Manufacture)
2. Determine a atividade da água crítica (_RHc)
3. Realize testes acelerados de vida útil, se necessário
4. Determine o prazo de validade desejado
5. Calcule a embalagem adequada
6. Reavaliar após alterações na formulação
7. Comprovar as previsões de prazo de validade por meio de testes empíricos

Recursos sobre prazo de validade

• Um modelo higrotérmico para prever o prazo de validade de fórmulas infantis, por Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Shyam S. Sablani
• Estabilidade dos Alimentos: Alterações Químicas, Bioquímicas e Microbiológicas, editado por N.A. Michael Eskin
• Ciência e Tecnologia da Secagem de Alimentos: Microbiologia, Química e Aplicações, editado por Y.H. Hui
• “Frescura e Prazo de Validade dos Alimentos”, editado por Keith R. Cadawallader e Hugo Weenen
• Datação Aberta de Alimentos, de Theodore P. Labuza e Lynn M. Szybist
• Prazo de validade: Resumo sobre a indústria alimentícia por Dominic Man
• Avaliação da Vida Útil dos Alimentos, 2ª edição, editado por Dominic Man e Adrian Jones
• Compreensão e medição do prazo de validade dos alimentos, editado por R. Steele
• Estabilidade e Prazo de Validade dos Alimentos, editado por David Kilcast e Persis Subramaniam
• Sous Vide e Processamento Cook-Chill para a Indústria Alimentícia, editado por S. Ghazala
• Esterilização de alimentos em bolsas retortáveis, por A.G. Abdul Ghani Al Baali

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