Compreenda o poder da atividade da água

A atividade da água não é um conceito intuitivo para a maioria das pessoas. Mas, uma vez compreendido, ele pode lhe dar a capacidade de controlar a umidade nos alimentos. Prevenir o crescimento microbiano é apenas o começo.

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.

Apresentador

Mary Galloway é cientista-chefe no laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento da AQUALAB há oito anos. Ela é especialista no uso e teste de instrumentos que medem a atividade da água e sua influência nas propriedades físicas. Ela já trabalhou com muitos clientes para resolver problemas relacionados à umidade em seus produtos e frequentemente tem a oportunidade de responder à pergunta: “O que é atividade da água?”

Noções básicas sobre atividade da água

Como os fabricantes de alimentos mantêm a textura de uma uva-passa macia e de um floco de cereais crocante, evitam a aglomeração e a formação de grumos, ou determinam se um produto é suscetível à deterioração? Todas essas questões são controladas pela atividade da água. Se você compreender como funciona a atividade da água, poderá desenvolver produtos atraentes, além de prever e prevenir possíveis problemas de armazenamento.

Definição de atividade da água

Princípios da termodinâmica:

• A energia é a força motriz que permite que os processos ocorram
• Mais energia significa que mais processos ou trabalhos (ou seja, mecânicos, térmicos, químicos) podem ser realizados
• Um estado de alta energia tende a se converter em um estado de menor energia para se tornar mais estável

A atividade da água (aw) é a medida do estado energético da água em um sistema. Trata-se de um princípio da termodinâmica e segue as mesmas regras. Uma atividade da água mais elevada significa mais energia, e a água pode realizar mais trabalho, como crescimento microbiano, migração de umidade ou reações químicas e físicas. As diferenças na atividade da água determinam como a umidade se move (em termos de energia, não de concentração). A água com maior atividade de água possui mais energia do que a água com menor atividade de água. Como a água reduzirá seu estado energético para se tornar mais estável? Ela migrará para uma atividade de água mais baixa.

Em sistemas energéticos, podemos adaptar a equação da energia livre de Gibbs (Equação 1) para determinar a atividade da água em um sistema a uma determinada temperatura. A energia da água em um sistema é igual à energia da água pura (𝜇o) mais a constante dos gases (R) multiplicada pela temperatura (T) e pelo logaritmo natural da fugacidade. Observe que a única variável dependente nesta equação para determinar a energia da água é a fugacidade.

O que é fugacidade?

A fugacidade (f/f0) é a tendência de um material a se dissipar ou a quantidade de vapor que pode se dissipar de uma amostra.

• f/f₀ = p/p₀
• p/p0 = Pressão de vapor da água acima da amostra a 𝓧 °C / Pressão de vapor da água pura a 𝓧 °C
• p/p0 = aw

A fugacidade é medida pelas pressões parciais, ou seja, a pressão de vapor da água acima de uma amostra a uma temperatura específica, dividida pela pressão de vapor da água pura à mesma temperatura. E a pressão de vapor relativa (às vezes chamada de pressão de vapor parcial) é exatamente a atividade da água. Portanto, se determinarmos a pressão de vapor parcial de uma amostra, podemos calcular a atividade da água.

A Figura 1 ilustra o que é a pressão de vapor. À esquerda, há uma amostra de alimento dentro de um recipiente. Moléculas de água escapam da amostra para o espaço livre. Essas moléculas produzem uma pressão específica dentro do recipiente selado. Essa pressão é comparada à pressão produzida pela água pura, conforme demonstrado no recipiente à direita. Como a atividade da água é uma razão entre duas pressões, ela não tem unidade e é medida em uma escala de 0 (sem energia) a 1 (a mesma energia da água pura).

É importante ressaltar que é preciso permitir que a pressão se equilibre, e que a temperatura e a pressão devem permanecer constantes. A atividade da água a 25 ℃ será diferente daquela a 35 ℃. Geralmente, ela será mais elevada. Portanto, se você fizer uma medição a 25 ℃ em um dia e, no dia seguinte, fizer outra a uma temperatura diferente, os valores de atividade da água não serão os mesmos, pois a atividade da água depende da temperatura constante.

Definição de teor de umidade

Método principal: perda por secagem (Equação 2)

Método principal: Titulação (Equação 3)

Ao contrário da atividade da água, que é um estado energético, o teor de umidade é uma medida qualitativa, ou seja, uma quantidade de água. Não se trata de uma força motriz. Embora afete a textura, não é uma força motriz para reações ou alterações no produto. Existem dois métodos principais utilizados para medi-lo.

Perda por secagem: A perda por secagem calcula-se tomando o peso úmido de uma amostra, subtraindo-se o peso seco e dividindo-se o resultado pelo peso seco (para a base seca) ou pelo peso úmido (para a base úmida); em seguida, multiplica-se esse valor por 100 para obter a porcentagem. É importante saber qual base é utilizada, pois cada uma fornece um resultado diferente. Isso ocorre porque se está dividindo por pesos distintos. Infelizmente, a base nem sempre é indicada na perda por secagem. Geralmente, é indicada apenas como um percentual de teor de umidade. Na METER, usamos a base úmida porque a base seca pode resultar em um teor de umidade negativo, o que não é real. Outra questão relacionada à perda por secagem é que substâncias além da água, como álcoois e outros compostos voláteis, podem ser evaporadas, o que aumenta o teor de umidade.

Titulação: (também conhecida como método de Karl Fischer) Trata-se de uma reação química que utiliza água, iodo e alguns solventes. A reação continua até que toda a água seja consumida; nesse momento, a condutividade elétrica da solução se altera. A condutividade é medida e, em seguida, utilizada para calcular o teor de umidade em porcentagem. Existem possíveis problemas com esse método, sendo um deles o fato de que toda a água deve estar solubilizada e disponível para reagir, o que pode ser difícil se o produto não for líquido. É preciso saber qual solvente usar para conseguir fazer isso, e não existe um solvente que sirva para todos os casos. Existe um solvente principal que funciona com muitos tipos de amostras, mas ele não será eficaz para todas as amostras. Além disso, podem ocorrer reações colaterais com os solventes que podem afetar a medição.

Um dos problemas na medição do teor de umidade é a ausência de um padrão. Não existe nada com um teor de umidade intrínseco de X com o qual possamos comparar. Podemos obter um resultado para o teor de umidade em porcentagem, mas não sabemos se ele é preciso.

Demonstração da atividade da água

Se compararmos o teor de umidade de um biscoito com o do mel, seria de se esperar que o mel tivesse um teor de umidade mais alto. Isso é verdade: o mel tem 18% de teor de umidade, enquanto o biscoito tem 5%. Mas esses dois produtos têm a mesma atividade de água (0,60 aw), o que significa que, se você mergulhasse o biscoito no mel por uma semana, ele não ficaria mole. Por quê? Porque a atividade de água, e não o teor de umidade, é a força motriz por trás das reações (neste caso, a migração de umidade). Nada aconteceria porque as energias (ou atividades de água) são as mesmas.

Aplicações para atividade da água e teor de umidade

Existem aplicações tanto para a atividade da água quanto para o teor de umidade (Tabela 2). A atividade da água é uma forma mais precisa de prever e prevenir problemas de armazenamento, mas observe que o teor de umidade afeta a textura. Você pode usar o teor de umidade para melhorar a textura, dependendo do tipo de produto que deseja. Ele também pode ser usado para determinar as concentrações dos ingredientes ou o conteúdo nutricional, o que é importante para os requisitos de rotulagem. E, se o seu produto tiver um limite de teor de umidade, por exemplo, ração para animais de estimação com 10%, você deve determinar o teor de umidade para saber se o produto está em conformidade.

Isotermas de sorção de umidade

Cada produto apresenta uma relação única entre a atividade da água e o teor de umidade. A Figura 2 mostra a relação entre a atividade da água e o teor de umidade nos produtos que testamos. Todas elas são completamente diferentes, e cada gráfico tem uma forma distinta.

A relação entre a atividade da água e o teor de umidade é denominada isoterma de sorção de umidade e pode ser utilizada para determinar a atividade crítica da água. É nesse ponto que as propriedades de sorção de umidade sofrem uma alteração física, permitindo a absorção de mais umidade. A atividade crítica da água é determinada por uma mudança na inclinação da curva. Na atividade da água em que a inclinação se altera, o produto sofre uma mudança na textura ou apresenta outros tipos de reações.

É possível determinar o efeito da formulação comparando diferentes isotermas entre uma formulação e outra. Por exemplo, você pode modelar a mistura de ingredientes secos para prever a atividade da água ao misturar dois novos ingredientes. Você também pode determinar o efeito do abuso de temperatura; se um produto for transportado e armazenado em um caminhão ou armazém quente, o que acontecerá com o produto quando ele chegar ao varejista? Você pode realizar isotermas em diferentes temperaturas e prever o efeito. As isotermas também são essenciais para prever a vida útil.

Crescimento microbiano

Os microrganismos precisam de água para crescer e obtêm-na do ambiente. Quando um organismo está rodeado por uma atividade de água inferior à do seu interior, ele sofre estresse osmótico. Na figura 3, a atividade de água no interior de uma célula é de 0,95 aw. Fora da célula, a atividade da água é de 0,90 aw. Como uma atividade da água elevada tende a se igualar a uma atividade da água baixa, a água dentro da célula sairá, e quando isso acontecer, a célula perderá a pressão de turgor. A célula tentará se adaptar alterando seu processo metabólico para reduzir sua atividade da água interna. Se conseguir se equiparar ao ambiente, terá água ou energia suficiente para crescer e se reproduzir.

Mas e se ela não conseguir se adaptar ao ambiente? Outra célula na Figura 3 tem uma atividade de água de 0,93, mas não se adapta ao ambiente, cujo valor é de 0,90. Nesse caso, não há energia suficiente para que a célula cresça e se reproduza, e ela entrará em estado de dormência.

A capacidade de um microrganismo se adaptar e reduzir sua atividade de água determina qual é o seu limite de atividade de água. Na década de 1950, o Dr. William James Scott demonstrou que os microrganismos têm um nível de atividade de água abaixo do qual não crescem (Tabela 3). Existe uma atividade de água específica para cada microrganismo que inibe o crescimento, e eles não conseguem crescer em um ambiente com atividade de água inferior a esse limite.

A Tabela 3 mostra que a salmonela tem um limite de atividade da água de 0,95. Isso significa que, se um produto tiver uma atividade da água de 0,95 e as condições forem ideais em termos de pH, temperatura e nutrientes, e não houver espécies concorrentes, a salmonela não poderá se desenvolver. Se alguma dessas condições mudar ou não for ideal para o crescimento microbiano, a atividade de água limitante poderá aumentar. As bactérias podem crescer em uma atividade de água superior a esse limite, mas nunca podem crescer em uma atividade de água inferior. E não importa em que matriz as bactérias estejam — um biscoito, um pó ou um alimento para animais de estimação —, se essas bactérias estiverem presentes, elas não crescerão abaixo desse limite.

Observe que a atividade da água não é uma etapa de eliminação nem de remoção das bactérias. Trata-se de uma etapa de controle que impede o crescimento de microrganismos, o que significa que o produto é seguro, mas não estéril. As bactérias continuam presentes. Se esses alimentos fossem expostos a uma atividade da água superior ao seu limite, elas poderiam se proliferar. Esse é um problema potencial, mas se a formulação for feita de modo a manter a atividade da água suficientemente baixa, não haverá problema.

A Tabela 3 também mostra que as bactérias estafilococos aeróbicas apresentam uma atividade de água mínima de 0,86. Isso significa que qualquer alimento com atividade de água superior a 0,86 é considerado potencialmente perigoso. Se essas bactérias começarem a se proliferar, elas causam doenças nas pessoas; portanto, os alimentos com atividade de água acima desse valor são considerados potencialmente perigosos. Qualquer valor abaixo de 0,85 de atividade de água representa um limite abaixo do qual isso não pode ocorrer.

A Tabela 4 é um gráfico que mostra toda a faixa de atividade de água para vários organismos, incluindo fungos e leveduras. Ela também apresenta alimentos típicos encontrados em cada faixa de atividade de água. Observe que acima de 0,85 estão os alimentos potencialmente perigosos. Os fungos têm limites de atividade de água mais baixos, mas os fungos geralmente envolvidos na deterioração estão em 0,7 ou acima. Não há crescimento de nenhum microrganismo abaixo de 0,6. Você pode usar essas informações para produzir produtos que não sejam potencialmente perigosos ou suscetíveis a fungos causadores de deterioração.

A atividade da água em ação

Prevenir o mofo

Um produtor secou suas nozes pecãs até atingir um teor de umidade de 4%. Ele não tinha certeza se 4% era seco o suficiente para impedir o crescimento microbiano, mas, historicamente, nunca havia tido problemas com essa especificação. Se ele analisasse uma isoterma de sorção de umidade para determinar a relação entre a atividade da água e o teor de umidade, veria que uma atividade da água de 0,68 em suas nozes pecãs corresponde a um teor de umidade de 4%. 0,68 está abaixo do limite microbiano para o crescimento de mofo. Portanto, se a atividade da água permanecer em 0,68, um teor de umidade de 4% é suficiente para prevenir o mofo.

Mas o produto do produtor acabou mofando. Por quê?

A medição do teor de umidade apresentava uma precisão de apenas meio ponto percentual. Quando as nozes pecãs apresentavam 4% de umidade, na verdade estavam mais próximas de 4,5%, o que significava que a atividade da água excedia o limite seguro para o desenvolvimento de mofo. O teor de umidade não era uma especificação de qualidade adequada, pois as nozes pecãs podiam variar entre 3,5% e 4,5%, e o produtor nunca saberia.

Se o teor de umidade das nozes pecãs do produtor oscilar entre 3,5% e 4,5%, elas não só ficam suscetíveis ao mofo, como também podem gerar menos lucro. Um teor de umidade mais baixo significa uma noz de qualidade inferior (mais dura) e implica que mais nozes cabem em cada saco (excesso de enchimento). No entanto, se ele utilizasse uma especificação de atividade da água mais precisa, poderia ter evitado ambos os problemas. Ele poderia manter o teor de umidade exatamente em 4% utilizando uma especificação de atividade da água de 0,68.

Prever a aglomeração e a formação de grumos

Um fabricante de sopas desidratadas processou uma mistura até atingir um teor de umidade de 3%. Ele recebeu pimenta nova para adicionar à mistura, que também apresentava um teor de umidade de 3%. No entanto, quando misturou os dois ingredientes, todo o lote formou grumos. O que aconteceu? Embora os teores de umidade fossem os mesmos, as atividades de água eram diferentes.

A mistura da sopa apresentava 0,28 aw, enquanto a atividade da água da pimenta era de 0,69 aw, valor acima da atividade da água crítica da sopa. Uma atividade da água mais elevada tende sempre a se deslocar para uma atividade mais baixa; assim, a umidade migrou da pimenta para a sopa, causando a formação de grumos na mistura. Se o fabricante tivesse medido a atividade de água antes de adicioná-la à sopa, ele poderia ter previsto a aglomeração e a formação de grumos, pois sabia que 0,69 aw estava acima do limite crítico para a sopa. Ao monitorar a atividade de água dos ingredientes recebidos, o fabricante poderia controlar a qualidade dos fornecedores e definir uma especificação de aceitação que estivesse abaixo da atividade de água crítica. Eles poderiam usar essas informações para garantir a consistência dos ingredientes recebidos.

Formule o caminho para o sucesso

A atividade da água também é fundamental para a formulação do produto. Se você fabricasse um bolinho e gerasse isotermas para a cobertura, o recheio cremoso e o bolo, veria que cada ingrediente apresenta uma relação diferente entre a atividade da água e o teor de umidade. Cada curva tem uma forma diferente (Figura 4).

Com uma atividade da água ligeiramente abaixo de 0,7 (linha vertical), todos os ingredientes apresentam teores de umidade diferentes. A cobertura tem 5%, o recheio de creme está próximo de 15% e o bolo tem 20%. Cada teor de umidade confere uma textura diferente quando o cliente dá uma mordida no bolinho. É possível formular cada ingrediente para essa atividade de água exata, e cada componente manterá seu teor de umidade e textura. Como a atividade de água de todos os componentes é a mesma, a umidade não migrará de um componente para outro.

Reduzir o excesso de embalagem e aumentar o lucro

Um fabricante de ração para animais de estimação produzia com um teor de umidade de 6,5%, pois nunca havia tido qualquer problema de deterioração com essa especificação. Ele traçou uma isoterma e constatou que, com um teor de umidade de 6,5%, seu produto apresentava uma atividade de água de 0,4, valor bem abaixo de quaisquer limites microbianos. Mas será que sua especificação de umidade era muito baixa? Como a ração para animais de estimação pode ter um teor máximo de umidade de 10%, ele poderia aumentar com segurança o teor de umidade e a atividade da água para aumentar sua margem de lucro e melhorar a textura.

Após utilizar dados isotérmicos para identificar um limite crítico de atividade da água e realizar cálculos de prazo de validade, o fabricante de ração para animais de estimação estabeleceu uma nova especificação de atividade da água de 0,6, o que corresponde a um teor de umidade de 9,5%. Ambos os valores estavam dentro dos limites de segurança e regulamentares. Ao aumentar a atividade da água e a especificação de teor de umidade, ele reduziu o custo das matérias-primas. Ele utilizou menos ingredientes para produzir a mesma quantidade de ração para animais de estimação, essencialmente substituindo esses ingredientes por água. Ele também reduziu o consumo de eletricidade e calor devido ao menor tempo de permanência nos fornos. E o produto ficou melhor porque o teor de umidade era mais alto. Ao compreender a atividade da água, o fabricante conseguiu aumentar consistentemente o lucro sem comprometer a qualidade ou a segurança.

Aumentar a estabilidade química/bioquímica

A atividade da água pode influenciar as velocidades de reação de vários tipos de reações químicas que ocorrem em alimentos e produtos farmacêuticos.

A Figura 5 é um gráfico elaborado pelo Dr. Ted Labuza que mostra que a maioria das taxas de reação aumenta quando a atividade da água se aproxima de 0,6. O gráfico ilustra onde as bactérias, leveduras e fungos se desenvolvem. E também mostra onde a atividade enzimática aumenta. As reações de escurecimento atingem o pico em torno de 0,6 e depois diminuem, pois há mais água na matriz nesse ponto, e elas ficam diluídas. A oxidação lipídica segue uma tendência incomum, sendo alta em baixas atividades de água e alta novamente em atividades de água mais elevadas. Curiosamente, ela é mais estável em atividades de água entre 0,3 e 0,4, o que é importante para alguns produtos, como batatas fritas, que contêm muita gordura e óleo.

Por que você precisa da atividade da água

A atividade da água é a energia da água em um sistema. É um parâmetro qualitativo e inerente ao próprio produto. É uma força motriz que possibilita fenômenos como o crescimento microbiano, a migração da umidade e alterações físicas e químicas. O teor de umidade é apenas a quantidade de água. Não é uma força motriz, portanto não indica o que a água irá fazer, mas apenas informa a quantidade presente.

A atividade da água é o parâmetro adequado para prevenir o crescimento microbiano, manter a estabilidade física e química, formular produtos e prever o prazo de validade.

Referências

Labuza, Ted P., K. Acott, S. R. TatiNl, R. Y. Lee, Jv Flink e W. McCall. “Determinação da atividade da água: um estudo colaborativo de diferentes métodos.” Journal of Food Science 41, n.º 4 (1976): 910-917.

Scott, W. J. “Relações hídricas dos microrganismos causadores da deterioração dos alimentos.” Em Advances in food research, vol. 7, pp. 83-127. Academic Press, 1957.

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