Análise da estabilidade de pós: física, química e microbiana

No entanto, a maioria dos pós pode ser classificada de acordo com sua estrutura molecular: amorfos, cristalinos ou uma combinação dos dois. A proporção entre a fase cristalina e a amorfa, bem como a forma como elas interagem, afeta praticamente todas as características do pó.

Além disso, o tamanho das partículas tem um impacto significativo nas características do pó (e nos problemas comuns a elas associados). Sempre que as partículas de pó entram em contato umas com as outras, pode ocorrer a formação de pontes — o primeiro passo para a aglomeração e a formação de grumos. Quanto menor o tamanho das partículas, maior a probabilidade de formação de pontes, o que leva à aderência, depois à aglomeração e a outros problemas. Os pós cristalinos podem ser particularmente complicados porque (até certo ponto) sua estrutura ordenada permite que a umidade adira apenas à parte externa da estrutura.

Pesquisas indicam que a mistura de dois pós cristalinos com tamanhos de partícula diferentes pode fazer com que a mistura se deliquesça (passe do estado sólido para o líquido) em níveis de atividade da água mais baixos do que os que qualquer um dos pós, isoladamente, apresentaria.

Os pós amorfos tendem a apresentar fendas e formas irregulares, o que facilita a ligação da água às suas partículas.

Teor de umidade, atividade da água e isotermas de pó

Existem dois parâmetros fundamentais relacionados à água: o teor de umidade e a atividade da água. Ambos são importantes para compreender como controlar problemas de estabilidade física, química ou microbiana em pós.

A maioria das pessoas que trabalha nas indústrias alimentícia ou farmacêutica está familiarizada com o teor de umidade. Para alguns, a atividade da água pode ser um conceito novo. O teor de umidade mede a quantidade de água. A atividade da água mede a energia da água – ou seja, o que a água é capaz de fazer? Esses dois parâmetros são medidos de maneiras completamente diferentes.

O teor de umidade é medido em porcentagem da massa total – basicamente, qual a proporção da amostra que é água, com base no peso.

Embora a medição do teor de umidade seja um método comum, ela não é particularmente precisa. Isso pode dificultar a identificação e a resolução de problemas. O teor de umidade, por si só, não oferece uma visão completa, especialmente no caso de pós.

Para verificar a atividade da água, um aparelho medirá a pressão de vapor. Pode ser útil pensar na atividade da água como a umidade em equilíbrio que uma amostra libera.

A atividade da água é frequentemente confundida com “disponibilidade de água”. Isso não está totalmente correto. A atividade da água é um princípio termodinâmico — trata-se da energia da água. É importante saber disso porque essa energia pode ser utilizada em reações químicas, alterações de textura e outras reações.

Quando a relação entre a atividade da água e o teor de umidade é representada graficamente, o resultado é chamado de isoterma. Nas mãos certas, uma isoterma pode fornecer uma grande quantidade de informações valiosas. Entre outras coisas, elas podem:

• Revele os níveis de atividade da água nos quais começam as alterações de textura e estrutura (isotermas DDI)
• Mostrar o ponto em que um produto começa a absorver mais umidade mais rapidamente
• Identifique a estrutura molecular (amórfica ou cristalina)
• Determinar quanto tempo levam determinadas mudanças ou reações, ou com que rapidez elas ocorrem (isotermas DVS)

Fatores-chave para a estabilidade física

Para compreender a estabilidade física dos pós, há três fatores principais a serem considerados: umidade, temperatura e tempo.

Umidade

A umidade tem um impacto significativo na estabilidade física. A água pode atuar como solvente ou reagente – e pode até mesmo amortecer reações químicas. Em geral, maior umidade significa reações mais rápidas, mas uma isoterma pode fornecer informações específicas para cada caso.

Temperatura

Os efeitos da temperatura são semelhantes aos da água: a mudança ocorre mais rapidamente quando a temperatura aumenta (ver figura acima). Aumentar a temperatura significa adicionar energia ao sistema, o que permite que ocorram mais mudanças físicas mesmo com níveis mais baixos de atividade da água.

Hora

Com tempo suficiente, todo processo chega ao fim. Alguns processos podem ocorrer tão lentamente que se tornam imperceptíveis — como o empenamento dos vidros em janelas muito antigas, por exemplo —, mas continuam a ocorrer, mesmo que fatores como temperatura e umidade sejam controlados.

Estudo de caso sobre estabilidade física: aglomeração e formação de grumos em misturas de especiarias

Sabemos que os níveis de atividade da água determinam o movimento da umidade entre as substâncias. Mas qual é a magnitude desse movimento, quais equações e modelos podem ser usados para prever esse movimento e qual é o grau de precisão dessa previsão?

O Laboratório de P&D Alimentar da METER realizou a seguinte pesquisa com seis misturas de especiarias diferentes para ilustrar as respostas às perguntas acima.

Visão geral do processo:

1. Gerou uma isoterma para cada ingrediente individualmente
2. Misture os ingredientes nas proporções em massa indicadas (ver tabela abaixo)
3. Nível final previsto de atividade da água para cada mistura, utilizando isotermas, equações matemáticas e coeficientes
4. Mediu-se o nível de atividade de água de cada mistura de especiarias após o equilíbrio
5. Comparou as previsões com as medições

Conclusões:

• A previsão baseada no amido de milho e no sal de cebola ficou extremamente próxima da atividade de água final medida.
  • Ambos os ingredientes apresentam partículas de tamanho fino, o que geralmente implica um maior contato entre as partículas e um equilíbrio mais rápido.
• As previsões para outras misturas de especiarias também foram bastante precisas.
• A previsão menos precisa do teste foi a da mistura de sálvia, cominho e orégano. No entanto, ainda assim ficou notavelmente próxima, apenas 0,05 abaixo do nível final de atividade da água medido.

O processo descrito neste estudo de caso pode ser útil para qualquer cientista de alimentos, especialmente aqueles que enfrentam a pressão de formular novos produtos rapidamente. Os modelos, ferramentas e equações podem fornecer informações sobre as características finais das misturas de ingredientes secos antes de serem misturadas.

Pode levar algum tempo inicialmente para criar uma biblioteca de isotermas. Mas, uma vez criadas, os formuladores têm liberdade para experimentar ajustes nas fórmulas, prever o prazo de validade final e os níveis de atividade de água em equilíbrio, além de tomar decisões sobre embalagens diretamente de suas mesas — sem a necessidade de realizar estudos físicos.

Fatores-chave para a estabilidade química

Os fabricantes precisam estar cientes de como a atividade da água pode afetar as taxas de reação química – e quais reações podem encurtar o prazo de validade de seus produtos. Sem um entendimento sólido da estabilidade química, é fácil prometer benefícios maiores do que aqueles que o produto realmente oferece.

Acompanhar as taxas de reação química pode ser complicado, mas é possível. Muitas vezes, cabe ao fabricante decidir quando os limites de validade foram atingidos. Identificar esse momento requer algumas das mesmas informações de previsão de validade mencionadas no estudo de caso acima.

Estudo de caso sobre estabilidade química: degradação da vitamina C

Como um fabricante de suplementos nutricionais pode determinar as condições ideais de armazenamento? A que velocidade um determinado ingrediente se degrada e quando o produto deixará de corresponder às informações indicadas nos rótulos?

A pesquisa descrita a seguir, realizada pelo Laboratório de P&D Alimentar METER, pode ajudar a responder a essas perguntas. O estudo foi conduzido com vitamina C (ácido ascórbico), mas os princípios e técnicas se aplicam a qualquer substância que possa se degradar ou reagir com o tempo.

Durante o estudo, o ácido ascórbico foi submetido a dois níveis diferentes de atividade da água e a três temperaturas diferentes. A degradação foi monitorada por meio de espectroscopia UV-Vis, e a taxa de degradação foi calculada. O objetivo era determinar como a temperatura e a atividade da água afetam a taxa de degradação.

Primeiro, a equipe decidiu quais temperaturas (30 °C, 40 °C e 50 °C) e níveis de atividade da água (0,76 aw e 0,948 aw) seriam os alvos. Em seguida, determinaram quando a vida útil seria considerada encerrada — neste caso, quando restassem 75% da quantidade inicial de vitamina C. Eles inseriram as informações necessárias no Moisture Analysis Toolkit e realizaram um estudo de vida útil acelerado, que produziu os seguintes resultados:

Fatores-chave para a estabilidade microbiana

A atividade da água é uma excelente forma de limitar o crescimento microbiano. Com níveis de atividade da água inferiores a 0,6, nada cresce.

Esse fato dá a muitos fabricantes uma falsa sensação de segurança – eles acreditam que, se o produto tiver um baixo nível de atividade da água, não precisam se preocupar com a contaminação microbiana. Essa é uma percepção perigosa que já levou a muitos recalls e surtos em alimentos como manteiga de amendoim, farinha e fórmulas infantis.

A atividade da água pode impedir o crescimento microbiano, mas não é um processo de eliminação. Os micróbios, em níveis baixos de atividade da água, podem permanecer em estado de estase. Se forem expostos a um ambiente com maior atividade da água — por exemplo, ao misturar farinha na massa de biscoito —, eles podem começar a proliferar e se tornar perigosos.

Um produto com baixa atividade de água pode ser seguro, mas não é necessariamente estéril.

Embora existam muitos obstáculos no controle microbiano e precauções que podem ser tomadas, o tema continua sendo complexo e desafiador. Atualmente, estão em andamento inúmeras pesquisas sobre a esterilização ou pasteurização de alimentos com baixo teor de umidade. Por enquanto, políticas rigorosas de higiene são a maneira mais eficaz de prevenir a contaminação e garantir a estabilidade microbiana.

Outros recursos

Para aprofundar seus conhecimentos sobre a ciência dos pós, assista ao webinar gratuito sob demanda abaixo. Nele, o Dr. Zachary Cartwright e Mary Galloway abordam mais detalhadamente o fluxo de pós, a aglomeração, a estrutura molecular e as isotermas.