O que as isotermas de sorção de umidade DVS revelam sobre a estabilidade dos alimentos?

As isotermas prevêem as alterações do produto ao longo do tempo

Os fabricantes de alimentos precisam saber quanto tempo leva para que seus produtos mofem, fiquem empapados, fiquem velhos, fiquem rançosos, formem grumos, aglomerem-se, cristalizem e se tornem inaceitáveis para o consumidor. A isoterma de sorção de umidade é uma ferramenta poderosa para prever e prolongar o prazo de validade de um produto. Ela permite que você:

• Identifique os valores críticos de atividade da água nos quais ocorrem alterações como aglomeração, formação de grumos e perda de textura
• Prever como o produto reagirá a alterações nos ingredientes e na formulação
• Estimar com precisão o prazo de validade
• Criar modelos de mistura
• Realizar cálculos de embalagem
• Determine o valor da monocamada (onde o produto é mais estável)

Isotermas: o Santo Graal da formulação

Uma isoterma de sorção de umidade é um gráfico que mostra como a atividade da água (_aw) varia à medida que a água é adsorvida e dessorvida de um produto mantido a temperatura constante. Essa relação é complexa e única para cada produto. A atividade da água quase sempre aumenta à medida que o teor de umidade aumenta, mas a relação não é linear. Na verdade, as isotermas de sorção de umidade têm formato de S (sigmoidal) para a maioria dos alimentos e formato de J para alimentos que contêm materiais cristalinos ou alto teor de gordura.

Método artesanal impraticável

A maneira clássica de criar uma isoterma consiste em colocar a amostra em um dessecador com uma solução salina de atividade de água conhecida até que o peso da amostra pare de variar. Em seguida, a amostra é pesada para determinar o teor de umidade. Cada amostra representa um ponto na curva da isoterma.

Como o processo é muito demorado, as curvas eram tradicionalmente construídas utilizando cinco ou seis pontos de dados com equações de ajuste de curvas, como GAB ou BET.

Uma maneira mais rápida de criar isotermas

Criar isotermas de sorção de umidade manualmente é um trabalho meticuloso. O método precisava ser automatizado. O método utilizado inicialmente — e ainda empregado pela maioria dos instrumentos de sorção de vapor — é chamado de DVS, ou sorção dinâmica de vapor. Uma amostra é exposta a uma corrente de ar com umidade controlada, enquanto uma microbalança mede pequenas variações de peso à medida que o produto adsorve ou desorve água. Assim que o equilíbrio é alcançado, o instrumento avança dinamicamente para o próximo nível de umidade pré-definido. Os testes levam de dois dias a várias semanas.

O método DVS é eficaz para investigar a cinética da sorção — o que acontece com um produto quando exposto a determinados níveis de umidade e a rapidez com que ele adsorve ou dessorve água. No entanto, o método DVS não é muito útil para criar uma curva isotérmica de alta resolução, uma vez que cada etapa de equilíbrio produz apenas um ponto na curva isotérmica.

As isotermas DDI revelam o que nunca havia sido visto antes

O método da isoterma do ponto de orvalho dinâmico (DDI) foi concebido para resolver esse problema. Ele gera isotermas de alta resolução que mostram detalhes nas curvas de adsorção e dessorção, registrando instantâneos tanto da atividade da água quanto do teor de umidade (a cada 5 segundos) à medida que a amostra é exposta a ar umidificado ou dessecado. Os gráficos DDI contêm centenas de pontos de dados e mostram detalhes anteriormente invisíveis, como pontos críticos onde ocorrem aglomeração, aglutinamento, deliquescência e perda de textura .

Encontre os valores críticos da atividade da água

Apesar de utilizar embalagens duplas e estabelecer diretrizes rigorosas para o armazenamento em temperatura controlada, um fabricante de leite em pó ainda enfrentava problemas de aglomeração.

Quando a transição vítrea se torna um problema

Quando o leite é seco por pulverização, a evaporação rápida deixa os açúcares em um estado vítreo. A lactose vítrea possui propriedades totalmente diferentes das da lactose cristalina. Devido à baixa mobilidade, as partículas não se aglomeram nem formam grumos enquanto o pó se encontra no estado vítreo. A estrutura cristalina representa um estado de menor energia; portanto, sempre haverá algumas moléculas em transição do estado vítreo para o cristalino. Os problemas surgem quando a taxa de transição atinge um ponto de inflexão.

A atividade da água prediz a taxa de transição

Com um valor de_aw de 0,30, pode levar vários anos para que toda a lactose se cristalize. Com_{um valor de aw de} 0,40, pode levar um mês. Acima de 0,43, a transição ocorrerá em poucas horas. Uma vez que a lactose se cristaliza, o leite em pó fica permanentemente alterado. Ele retém uma quantidade de água drasticamente diferente, não se dissolve e não tem o sabor correto. Em essência, ele está estragado.

As isotermas DDI prevêem o ponto de transição vítrea

O ponto de transição vítrea de pós como o leite em pó obtido por secagem por pulverização pode ser determinado por meio de uma isoterma DDI de alta resolução. As isotermas tradicionais dependem de modelos para preencher a isoterma entre os pontos medidos. As isotermas DDI medem centenas de pontos e podem identificar transições como o ponto de transição vítrea do leite em pó obtido por secagem por pulverização.

O valor de pico no gráfico da segunda derivada da isoterma identifica o valor crítico de mudança de fase como 0,43_aw.

A realização de testes de rotina precisos na linha de produção, com valores de controle mais rigorosos, ajudou o fabricante a melhorar a taxa de aceitação das remessas.

Criar modelos de mistura

Um fabricante de bolos estava elaborando uma receita para um bolo recheado com creme. Os componentes da receita eram a cobertura (cerca de 7% de umidade), o recheio de creme (12%) e o bolo (15%). A migração de umidade durante o prazo de validade já havia causado problemas de textura, como bolo envelhecido, cobertura com textura de borracha e recheio de creme liquefeito que se espalhava pelo bolo.

Veja como a umidade se move entre os componentes

As isotermas de sorção de umidade de cada ingrediente mostraram que a cobertura — o ingrediente mais seco — apresentou a maior atividade de água, com 0,79. As atividades de água do creme e do bolo foram semelhantes — 0,66 e 0,61, respectivamente.

Prever a atividade da água do produto final

A conversão das isotermas em gráficos de chi permitiu prever a atividade da água do produto final em 0,67, um valor seguro do ponto de vista microbiano para o bolo.

Evite surpresas desagradáveis

O confeiteiro conseguiu então assar e provar o bolo com a atividade de água em equilíbrio (0,67).

Selecionar embalagem

As misturas em pó para bebidas em porções individuais constituem um segmento de mercado em crescimento. A embalagem representa mais de 50% do custo das matérias-primas desse produto. O principal objetivo da embalagem é manter a mistura para bebidas abaixo do valor crítico_{de aw} durante todo o prazo de validade do produto.

Os cálculos de embalagem começam com um valor crítico de atividade da água. A capacidade de obter um ponto preciso a partir das isotermas dinâmicas do ponto de orvalho (DDI) torna possível esse tipo de cálculo de embalagem.

Esta curva mostra o ponto de transição vítrea para uma determinada fórmula de bebida:

A atividade hídrica crítica — o ponto de inflexão exato — para esta mistura para bebida é de 0,618 a 25 °C.

Calcular a condutância do pacote

Utilizando cálculos simplificados de embalagem (disponíveis em “Fundamentos de Isotermas” e como ferramenta de software), avaliamos quatro tipos diferentes de embalagens para esta mistura para bebida — sua embalagem original e três possíveis alternativas. Em condições de exposição à umidade (25 °C, 75% de umidade), eis os resultados:

Compreender as alterações na formulação

Uma empresa de ração para animais de estimação alterou a fórmula para produzir um produto sem conservantes, cuja estabilidade é controlada pela atividade da água. Pouco depois do lançamento do produto, a empresa começou a receber devoluções devido à deterioração do produto.

A avaliação inicial revelou que as previsões de deterioração se baseavam em testes de atividade da água realizados a uma temperatura excepcionalmente baixa — 15 °C. As isotermas calculadas a 15 °C, 25 °C e 40 °C mostraram que, se armazenado em condições inadequadas (como costuma acontecer com rações para animais de estimação), era provável que ocorresse deterioração.

As isotermas forneceram um panorama preditivo completo, permitindo que o cliente resolvesse o problema com uma nova formulação.

Investigar a falha do produto

Após 13 temporadas sem problemas, um produtor de nozes pecã teve sua safra rejeitada devido a problemas de mofo. Foi criada uma isoterma para investigar o problema.

Para evitar o crescimento microbiano, as nozes pecãs devem ser secas até atingirem 0,60_{de atividade da água}. Conforme mostra a isoterma, 0,60_{de atividade da água} corresponde a 4,8% de umidade de massa nas nozes pecãs. A isoterma das nozes pecãs também é bastante plana nessa região crítica de controle; portanto, uma pequena variação no teor de umidade se traduz em uma alteração significativa e potencialmente perigosa na atividade da água.

O Isotherm mostra que os parâmetros foram definidos em valores muito baixos

A isoterma completa mostra que o processo utilizado pelo produtor de nozes pecã não era adequado para garantir a segurança e a qualidade de sua safra. O produtor mediu o teor de umidade por meio da perda por secagem. Como sua especificação de liberação era de 5% e sua precisão era de ± 0,5%, o teor real de água da safra seca poderia ter variado entre 4,5% e 5,5%.

Qualquer coisa, desde o armazenamento em ambiente de alta umidade até uma embalagem inadequada, poderia ter exposto as nozes pecãs a condições de umidade prejudiciais e causado a deterioração do produto.

Saiba mais sobre o prazo de validade

Neste webinar de 30 minutos, os cientistas alimentares Mary Galloway e Zachary Cartwright falam sobre como obter respostas para suas dúvidas sobre prazo de validade. Aprenda a:

-Analisar problemas e reclamações para descobrir por que o prazo de validade está expirando antes do esperado

-Prever como as alterações na receita afetarão o prazo de validade

-Comparar o efeito de diferentes opções de ingredientes

-Avaliar se uma opção específica de embalagem ajudará a garantir ou prolongar o prazo de validade

Estudos que utilizam isotermas dinâmicas do ponto de orvalho (DDI)

Allan, Matthew e Lisa J. Mauer. “Comparação de métodos para determinar os pontos de deliquescência de ingredientes monocristalinos e misturas.” Food Chemistry 195 (2016): 29-38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

Allan, Matthew, Lynne S. Taylor e Lisa J. Mauer. “Efeitos de íons comuns na redução da deliquescência de misturas de ingredientes cristalinos.” Food Chemistry 195 (2016): 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

Barry, Daniel M. e John W. Bassick. “Desenvolvimento do Traje Avançado de Evacuação da Tripulação do Ônibus Espacial da NASA.” Série de Artigos Técnicos da SAE, 1995. doi:10.4271/951545.

Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals e Jaya Shankar Tumuluru. “Impacto do pré-tratamento sequencial por expansão de fibra de amônia (AFEX) e da peletização nas propriedades de sorção de umidade do resíduo de milho.” Drying Technology 33, n.º 14 (2015): 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. e Carter, A.H. 2016. Variações na permeabilidade à umidade dos grãos na atividade de água crítica a partir de isotermas dinâmicas do ponto de orvalho. Transactions of the ASABE. 59(3):1023-1028.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L. e Carter, A.H. 2015. A importância da atividade da água como parâmetro para o tempero do trigo e a produção de farinha. Cereal Foods World 60(4):166-170.

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Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Arron H. Carter. “A atividade crítica da água a partir de isotermas dinâmicas do ponto de orvalho como indicador da estabilidade de pós pré-misturados.” Journal of Food Measurement and Characterization 9, n.º 4 (2015): 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.

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