Por que os pós se comportam de maneira inadequada

Mas talvez você não tenha percebido os perigos que o pó pode causar em outros lugares. Esses problemas menos visíveis e menos conhecidos podem ser muito graves — como riscos à saúde e recalls de produtos. Ignore-os por sua conta e risco.

Junte-se a Mary Galloway, diretora do Laboratório de P&D Alimentar da METER, e ao Dr. Zachary Cartwright, cientista alimentar sênior, enquanto apresentam novas descobertas de pesquisa e explicam as diversas razões pelas quais os pós apresentam comportamentos indesejáveis.

Você aprenderá:

• Quantas empresas, sem querer, apresentam de forma incorreta os benefícios dos seus produtos alimentícios funcionais
• Os riscos microbianos dos alimentos com baixo teor de umidade e os equívocos perigosos a respeito deles
• A variedade de fatores que influenciam a estabilidade do pó e quais são os mais importantes a serem observados
• Como identificar onde podem ocorrer problemas com o pó e como evitá-los antes que surjam

Sobre os apresentadores

Mary Galloway é diretora do Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento de Alimentos da METER. 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 dezenas das maiores e mais bem-sucedidas marcas de alimentos do mundo para resolver problemas relacionados à umidade dos produtos.

O Dr. Zachary Cartwright é cientista-chefe da área de alimentos no METER Group. Ele possui doutorado em ciência dos alimentos pela Washington State University e bacharelado em bioquímica pela New Mexico State University. É especialista em análise isotérmica e no uso do Analisador de Sorção de Vapor (VSA).

Transcrição, editada para maior clareza

Zachary:

Olá a todos. Bem-vindos ao “Why Powders Misbehave”. Meu nome é Zachary Cartwright.

Mary:

E eu sou Mary Galloway.

Zachary:

Vamos começar com uma breve visão geral do que vocês podem esperar hoje. Vamos falar sobre o que são pós, tentar dar uma definição e, em seguida, vamos nos concentrar principalmente em três aspectos diferentes dos pós. Vamos analisar a estabilidade física, como aglomeração, formação de grumos e perda de fluidez. A Mary tem alguns dados de laboratório que compartilhará conosco e, depois, passaremos para a estabilidade química, considerando reações de ranço ou escurecimento. Acredito que você também tenha algumas pesquisas para nos apresentar.

Mary:

Sim. Realizamos um estudo no laboratório sobre a degradação da vitamina C.

Zachary:

Por fim, vamos analisar a estabilidade microbiana. Embora este seja um ambiente de baixa atividade de água, ainda existem algumas preocupações de natureza microbiana, e creio que você esteve trabalhando em um artigo ou foi citado em um artigo sobre o qual vamos nos concentrar.

Introdução aos pós: Fundamentos e definições

Zachary:

Mary, o que é um pó? Como você definiria um pó?

Mary:

Bem, a maioria das pessoas sabe o que é um pó, em teoria, porque os encontramos em tantos lugares. Quando discutimos isso anteriormente, o mercado era importante. Ao falarmos sobre a categoria dos pós, poderíamos incluir temperos e ingredientes. A indústria farmacêutica também usa o termo para se referir a excipientes e princípios ativos, e eles desempenham muitas funções diferentes.

Basicamente, um pó é um produto granular de tamanho reduzido. Encontramos uma boa definição em um artigo de Bandari, de 2017. Parafraseando, o artigo aponta a estrutura como a principal característica de um pó: amorfa, cristalina ou uma combinação das duas. A forma como essas duas características interagem, juntamente com o tamanho das partículas, influencia a funcionalidade, a aplicação e a produção do pó.

Isso resume por que os pós representam um mercado tão vasto e por que são tão complexos — porque abrangem tantos mercados e grupos funcionais diferentes.

Zachary:

Já realizamos um webinar anterior sobre pós, no qual aprofundamos um pouco mais a análise das estruturas amorfas e cristalinas. Basicamente, do ponto de vista da estrutura molecular, existem algumas diferenças fundamentais. Uma estrutura cristalina apresenta uma estrutura repetitiva e bem definida. Isso é algo que se pode observar em nível molecular. Mesmo visualmente, é possível perceber essas diferenças nos pós, e temos algumas imagens que ilustram isso.

Da última vez, falamos sobre a mistura desses pós e analisamos alguns dos efeitos combinados. Se você tiver interesse em aprofundar esse assunto, pode assistir ao nosso webinar anterior. Também falamos sobre o tamanho das partículas, e gostaria de abordar esse tema com mais detalhes. Como o tamanho das partículas afeta algumas das características dos pós?

Mary:

O tamanho das partículas tem um impacto significativo nas características dos pós e explica por que eles podem ser tão difíceis de trabalhar. Quando se tem partículas de tamanho reduzido, pode ocorrer uma ponte entre elas que não se esperava, e então elas podem começar a ficar pegajosas, formando aglomerações e coisas do gênero.

Há alguns outros aspectos além do tamanho geral das partículas. A forma das partículas também é um fator importante. Existem pesquisas que mostram que, quando se misturam pós cristalinos, ocorre o que chamamos de deliquescência, que consiste basicamente na transição do estado sólido para o líquido antes do que seria de se esperar para qualquer um dos pós individualmente. Isso se deve ao fato de as partículas terem tamanhos diferentes.

Sempre que surgem esses pontos de contato, podem começar a ocorrer fenômenos de ponteamento e outros problemas. Os pós cristalinos podem ser particularmente complicados porque, como você disse, possuem uma estrutura muito ordenada, o que significa que a umidade adere essencialmente apenas à parte externa da estrutura. Trata-se apenas de uma interação superficial, ao contrário do que ocorre com um pó amorfo, que apresenta muitas fendas e formas e tamanhos irregulares, permitindo que a água se ligue mais facilmente ao amorfo. Isso os torna funcionalmente diferentes, mas também tem impacto quando você precisa utilizá-los como formulador.

Zachary: Da última vez que conversamos, analisamos os cinco estágios da aglomeração. Existem várias etapas até se chegar à aglomeração e, por fim, à liquefação.

Não precisamos necessariamente abordá-los hoje, mas gostaria de salientar que o aglomeramento e a formação de grumos podem começar a ocorrer numa fase inicial. Uma forma de controlar isso é analisar a umidade e a atividade de água desses pós. Fazemos isso na maioria dos nossos webinars, mas é sempre útil definir o que são o teor de umidade e a atividade de água e discutir como podemos usar esses parâmetros em conjunto para avaliar as alterações físicas e a estabilidade química e microbiana.

Vamos começar analisando o teor de umidade e a atividade da água. Sei que você tem um gráfico bem bom sobre isso e uma boa definição. Como você diferencia essas duas medidas?

Mary:

Para algumas das pessoas com quem conversamos, a atividade da água é um conceito novo, e a maioria está bastante familiarizada com o teor de umidade. Gosto de diferenciá-los e dizer que existem duas medidas relacionadas à água que podemos fazer. Uma delas consiste em analisar a quantidade de água, ou seja, o teor de umidade. A outra consiste em analisar a energia da água – o que a água é capaz de fazer? Medimos esses dois aspectos de maneiras completamente diferentes.

Quando analisamos o teor de umidade, trata-se de uma porcentagem em massa, portanto, estamos apenas considerando o peso. Mas, quando analisamos a atividade da água, estamos, na verdade, medindo o que chamamos de pressão de vapor, o que é semelhante à umidade que se desprende de uma amostra.

Se você quiser conferir algumas de nossas pesquisas e outros webinars, falamos sobre a atividade da água. Pode ser útil ter em mente que nos referimos basicamente à umidade em equilíbrio que a amostra está exalando, e isso pode ajudar as pessoas a compreender melhor esses dois conceitos. Além disso, é importante observar como certas condições externas e ambientais podem afetar o produto, algo que também deve ser levado em conta e monitorado.

Zachary:

Boa observação. Ainda vejo com bastante frequência que a atividade da água é confundida com a disponibilidade de água, e essa não é exatamente a definição correta. A atividade da água é um princípio termodinâmico. Trata-se, na verdade, da energia dessa água, e é importante saber disso porque a energia da água pode ser utilizada para uma reação química, uma alteração na textura ou qualquer outra finalidade. É bom enfatizar esse ponto. Quando falamos de atividade da água, estamos nos referindo à energia da água.

Recebemos constantemente clientes que apresentam bons registros de teor de umidade, mas têm muita dificuldade em obter uma medição precisa. Como não conseguem determinar com precisão o teor de umidade, fica difícil associar alguns dos problemas que enfrentam a esse fator. O teor de umidade, por si só, não fornece todas as informações necessárias, especialmente no caso de pós.

Ao combinar a atividade da água e o teor de umidade, podemos analisar a isoterma, e isso é algo sobre o qual sempre falamos muito, mas é porque se trata de uma maneira única de analisar a água nesses produtos e obter uma visão completa de como a água se comporta nesse produto. Como se obtém uma isoterma? Como se analisa essa curva e se correlaciona com as diferentes características de um pó?

Mary:

Uma das formas como utilizamos as isotermas é para definir um ponto crítico, uma atividade de água crítica a partir da qual começaremos a observar alterações na textura e outras mudanças na estrutura do produto. Basicamente, em que ponto ele começa a mudar e a absorver muito mais umidade? Geralmente, se estivermos falando de um pó, esse é o ponto em que começaremos a observar aglomeração e formação de grumos. Se tivermos outro produto, como um lanche, ele pode começar a amolecer; portanto, esses são pontos críticos a serem identificados. Também podemos observar a inclinação ou a forma da própria isoterma e identificar a estrutura, como discutimos sobre amorfo versus cristalino. Podemos analisar isso. Também podemos, ao expor essas amostras ao ar úmido e basicamente em tempo real, ver como elas se comportam; podemos obter muitas informações valiosas sobre esse produto que podem ser úteis para um cliente.

Zachary:

É importante ressaltar que dispomos de um método exclusivo chamado isoterma dinâmica do ponto de orvalho, e essa é a melhor maneira de obter um gráfico ou imagem de alta resolução do comportamento da água. Existem outros métodos sobre os quais falaremos mais tarde, mas, ao utilizar essa isoterma dinâmica do ponto de orvalho e o analisador de absorção de vapor, essa é a melhor maneira de caracterizar a água e, em seguida, examinar alguns dos fatores que vamos considerar, começando pela estabilidade física. Na próxima seção, vamos falar sobre estabilidade física e o que isso significa para os pós.

Mary:

Tudo bem.

Caracterização da estabilidade física de pós

Zachary:

Vamos nos aprofundar no tema da estabilidade física. Quando pensamos em estabilidade física e pós, há três fatores principais que devemos levar em conta: umidade, temperatura e tempo. Vou deixar que você explore esses pontos e acrescente informações conforme necessário.

Mary:

No que diz respeito à umidade, basicamente, se tivermos mais umidade disponível, teremos mais processos a sofrer alterações e mais estruturas a se transformarem. Quando você mencionou o DDI, a primeira coisa que me veio à mente foi pensar nisso em termos de leite em pó seco por pulverização, onde passamos de um estado vítreo para um estado elástico.

Agora, se usássemos um estilo diferente e mais tradicional de isoterma, você acabaria perdendo essa transição, porque ela basicamente a ignora. Normalmente, mantém-se as amostras em determinados níveis de umidade e observa-se o que acontece. Mas no DDI, trata-se de um processo em tempo real e é possível ver essas transições ocorrendo. É exatamente a isso que me refiro quando falo sobre usar as isotermas para visualizar seus dados em tempo real e identificar quando esses pontos críticos começam a ocorrer. A umidade tem um impacto significativo nesses processos, pois a água tende a acelerar as reações.

Pode ser um solvente, pode ser um reagente e pode até mesmo funcionar como um tampão nas reações químicas. Às vezes, os papéis mudam à medida que o processo avança ou à medida que mais umidade é adicionada a ele, e então é possível observar que as taxas de reação realmente se alteram. Além da umidade, também queremos analisar a temperatura. Temos um gráfico que gostamos de mostrar porque é uma ótima maneira de expressar como esse ponto crítico que temos mencionado mudará à medida que adicionamos calor ou aumentamos a temperatura de um produto. O que acontece, e faz sentido quando se pensa nisso, é que essa mudança ocorre mais rapidamente. Você está adicionando energia ao sistema, e esse sistema passa a fluir mais rápido. Essas mudanças ocorrerão em condições de menor atividade da água ou mais rapidamente nesse processo.

O último fator é o tempo. Se você der tempo suficiente a um processo, ele vai mudar. Mesmo que você conseguisse manter os outros fatores — temperatura e umidade — estáticos, se desse tempo suficiente, isso aconteceria. Eu estava pensando nisso outro dia, pensando nesse exemplo. Você tem janelas de vidro antigas, e se fosse medir a parte superior e a parte inferior de janelas de vidro muito antigas, veria que a parte de baixo é mais espessa do que a de cima, e isso é porque elas tiveram muito tempo para fluir. Essa é a ideia de que, se você der tempo suficiente a um processo, ele vai chegar ao fim. Todos esses três fatores influenciam a estabilidade física.

Zachary:

Também é importante observar que, dependendo da sua questão, existem diferentes métodos ou tipos de isotermas que você pode utilizar. Voltando à isoterma dinâmica do ponto de orvalho, você pode usá-la para encontrar esse ponto crítico e entender exatamente em qual atividade da água ou em qual combinação de umidade relativa e temperatura esse efeito ocorrerá. Então, uma vez que você saiba onde fica esse ponto crítico, também poderá realizar um teste DVS, um teste dinâmico de absorção de vapor, para responder à questão sobre o tempo.

Voltando ao seu exemplo da janela, quanto tempo levará para realmente atingir esse ponto crítico em determinadas condições? Temos uma maneira de responder a essa pergunta. Contamos com nosso analisador de absorção de vapor, que permite realizar ambos os métodos; ele é único e, na verdade, o único instrumento capaz de realizar os dois. Se você tiver um problema de estabilidade física, ter acesso a esses dois tipos de testes pode ser eficaz.

Agora vamos falar sobre o seu projeto de mistura de especiarias. Em que consistia esse projeto? Qual era o objetivo dele e o que você aprendeu com ele?

Mary:

Como sabemos, a umidade se move devido às diferenças nas atividades de água. A questão é: quanto ela se move? Podemos prever isso e qual é a precisão dessa previsão? Nós temos uma ferramenta. Definitivamente, existem equações que tentam modelar essa interação entre os produtos. O que fizemos para o nosso projeto foi, essencialmente, pegar seis misturas diferentes: algumas com especiarias, outras com maltodextrina em sorbitol, amido de milho e sal de cebola, e ainda outras com especiarias, como sálvia, orégano e cominho. Nós as combinamos. Primeiro, forçamos todas elas a ter uma atividade de água muito específica. Depois, também realizamos isotermas em todos esses ingredientes, pois esse é um fator importante: não apenas a atividade de água inicial ou a razão de massa no sangue, mas quais são as características dessa isoterma e como ela se comporta na presença de umidade.

Queremos saber como eles absorvem, ou não, ou seja lá como for. Precisamos saber quais são essas informações para esse produto, para que possamos criar um bom modelo preditivo. Fizemos isso e, em seguida, misturamos os ingredientes em proporções de massa conhecidas. Depois, medimos para verificar exatamente qual era a atividade de água após dar tempo para que se equilibrassem. Em seguida, também fizemos a previsão, e os resultados foram muito bons. Basicamente, estou mostrando as combinações que fizemos; a primeira ali em cima é amido de milho e sal de cebola. Misturamos um grama e meio de amido de milho, e a atividade de água inicial foi de 0,435. O sal de cebola, usamos um grama, mas a atividade de água inicial foi menor. Vocês verão ali que começou com atividade de água de 0,35, e então misturamos isso e a atividade de água real da nossa mistura foi de 0,429.

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Quando executamos o modelo de previsão que levou em conta as isotermas, a massa inicial e as atividades de água iniciais, previmos que a atividade de água final seria de 0,431, ou seja, extremamente, extremamente próxima. Esses resultados funcionaram bem. Na verdade, eles têm partículas de tamanho fino, o que lhes confere muitos pontos de contato, de modo que se obtém um equilíbrio mais rápido. Isso não foi uma grande surpresa, mas foi bom ver que funcionou tão bem. Você pode ver, em alguns de nossos outros exemplos, que os resultados foram muito bons. Também testamos maltodextrina e sorbitol. Variamos as quantidades e os pontos de partida. Um era mais alto que o outro, e então trocamos os valores. Tentamos várias combinações apenas para testar um pouco. Depois, testamos também as especiarias na parte inferior: sálvia, cominho e orégano.

Isso funcionou muito bem. O pior cenário em nossa configuração foi o último exemplo — talvez eu não devesse dizer isso, mas o cientista que há em mim diz que preciso fazê-lo. Vocês verão que nossa previsão foi de 0,35 de atividade da água, enquanto o valor real foi de 0,395. Ficou cerca de 0,05 abaixo. Eu só queria falar sobre como isso funciona e, em seguida, sobre as comparações que fizemos.

Aqui você verá todas as isotermas da sálvia, do cominho, do orégano e um modelo combinado, ou seja, onde reunimos todos esses dados. Também queria mostrar por onde começamos. Foi aqui que começamos com todos os ingredientes, com a atividade de água inicial e o teor de umidade inicial, com base na isoterma e nas proporções de massa. Depois de colocarmos tudo lá, você pode ver que obtivemos uma atividade de água final de 0,349.

Agora, no que diz respeito a isso, o importante é que estamos fazendo isso matematicamente, então queremos garantir que tenhamos uma boa representação, uma boa equação matemática e coeficientes para cada um dos nossos ingredientes. Assim que conseguimos isso, obtivemos nossa previsão, que ficou bem próxima do resultado real; fiquei bastante satisfeito com isso. Talvez devido ao tamanho das partículas das especiarias, ou talvez por não terem um contato tão bom, é possível que, se as tivéssemos deixado juntas por mais tempo, tivéssemos obtido um resultado ligeiramente diferente. Mas fiquei muito satisfeito com o resultado que obtivemos. Também quis pegar isso e analisar do outro lado.

Modelamos a isoterma como mostro aqui na curva vermelha, mas depois quis comparar isso com a isoterma real, pois, depois de prepararmos essa mistura, realizamos de fato uma isoterma nela para ver o que poderíamos fazer. A partir daí, é possível observar as diferenças entre a isoterma real e a isoterma modelada, e elas coincidem muito, muito bem, especialmente na área de interesse que estamos analisando. Se estivermos procurando por especiarias, talvez entre 0,2 e 0,4, geralmente é nesse intervalo de atividade da água que elas se encontram. Você vai notar que temos um ajuste realmente muito bom. Estou muito, muito otimista em relação aos dados do nosso estudo. Este, como eu disse, é o pior caso que tivemos. Os demais, na verdade, apresentaram resultados muito melhores.

Zachary:

Gostaria apenas de dar um passo atrás e refletir sobre a aplicação prática disso no mundo real. Converso constantemente com cientistas que estão sob grande pressão para lançar novos produtos o mais rápido possível. Se você usar esse tipo de modelagem para uma mistura de ingredientes secos, essa é uma maneira rápida de obter muitas informações sobre o produto final antes mesmo de fabricá-lo. Leva um pouco de tempo para construir uma biblioteca e ter isotermas para cada ingrediente, mas, uma vez feito isso, você pode sentar-se diante do computador e compreender rapidamente qual será a atividade de água em equilíbrio. Com nosso novo programa no Moisture Analysis Toolkit, que acompanha nosso analisador de absorção de vapor, o software do kit de ferramentas faz todo o trabalho por você. Você mencionou essas equações e há equações por trás disso, mas, em vez de ter que criar sua própria planilha ou fazer tudo isso sozinho, todo esse trabalho está sendo feito para você, o que facilita saber qual será a atividade de água em equilíbrio.

Agora você também pode obter os coeficientes para aquele modelo que mencionou. Usando esses coeficientes, você pode começar a se perguntar qual é o prazo de validade previsto, quanto tempo levará para atingir uma atividade de água crítica ou que tipo de embalagem deve usar. Há muito que você pode fazer se dedicar um tempo para analisar essas isotermas e entender exatamente como usar esses dados para responder a diversas perguntas. Só queria salientar que os gráficos que você está mostrando vêm do software Moisture Analysis Toolkit. Isso é algo que muitos de nossos clientes, sejam eles fabricantes de suplementos nutricionais ou alguns dos maiores produtores de especiarias do país com quem trabalhamos, utilizam essas equações e essas ferramentas para acelerar sua produção.

Mary:

Boa observação. Eu também queria acrescentar que, uma vez que você tenha as isotermas, posso repetir essa previsão quantas vezes for preciso. Posso alterar qualquer parte dela e refazê-la em poucos instantes. Por exemplo, eu poderia alterar a proporção de massa se percebermos que não gostamos muito dessa mistura, ou que a fluidez não está boa, ou talvez o sabor não esteja bom. Talvez tenha cominho demais ou algo assim. Você poderia ajustar essa receita, e pode fazer isso diretamente no software. Ou, digamos, por exemplo, já falamos em webinars anteriores sobre a sazonalidade, como isso pode alterar o ingrediente que você recebe.

A atividade da água tende a ser mais elevada no verão e mais baixa no inverno. É importante monitorar os valores ao receber o produto, para evitar surpresas e a entrada de umidade no produto que você não esperava nem desejava. Isso é algo que você pode alterar aqui. Você pode alterar a atividade da água inicial de qualquer um desses produtos e, em seguida, simplesmente refazer a previsão. Depois de obter essa informação, você pode fazer muitas coisas manipulando-a.

Zachary:

Bem, tudo isso dizia respeito principalmente à estabilidade física. Agora vamos passar para a estabilidade química e falar sobre como podemos usar a atividade da água para orientar ou compreender melhor a estabilidade química.

Caracterização da estabilidade química de pós

Zachary:

Passando agora à estabilidade química, gostaria de voltar ao diagrama de estabilidade que vimos anteriormente.

Isso é importante porque você precisa avaliar se o seu pó realmente oferece os benefícios à saúde prometidos. As vitaminas estão presentes conforme prometido ou ocorreu algum tipo de alteração química da qual você precisa estar ciente? Se você observar esse diagrama de estabilidade, há diferentes pontos nesse diagrama em que as taxas de degradação ou de reação vão mudar; por exemplo, em torno de 0,6 de atividade de água, pode ocorrer um aumento nas reações de escurecimento. Em atividades de água muito baixas, é aí que vemos a oxidação lipídica começar a aumentar.

Você só precisa estar ciente de como a atividade da água afeta as velocidades de reação e quais reações estão relacionadas ao fim do prazo de validade. Sei que você trabalhou recentemente em um experimento com vitamina C e analisou como ela se relaciona com essa atividade. Você poderia explicar esse experimento e o que descobriu?

Mary:

As taxas de reação química são um pouco mais complicadas de monitorar, mas é possível fazê-lo. Ao monitorar essas taxas, podemos usar essas informações para prever o prazo de validade e estabelecer um cronograma que indique, essencialmente, quando elas atingem um ponto em que consideramos que o prazo de validade chegou ao fim. Nosso estudo foi sobre o ácido ascórbico e, basicamente, nós o expusemos a duas atividades de água diferentes e a três temperaturas diferentes. Em seguida, monitoramos sua degradação usando UV-Vis e conseguimos calcular essas taxas.

Um dos aspectos fundamentais disso é que estávamos usando a equação de Arrhenius, que é muito comum nesse tipo de reação. Basicamente, trata-se de relacionar a velocidade de reação com a temperatura e a energia. Já sabemos que podemos relacionar a energia especificamente com a atividade da água.

Realizamos um estudo em que começamos no tempo zero e, ao longo de um período que varia de vários dias a semanas, expusemos o ácido ascórbico a uma determinada composição e temperatura; em seguida, observamos as mudanças e representamos os resultados graficamente. Esse é o nosso estudo. Essencialmente, gostaríamos de saber como a temperatura e a atividade da água afetam a taxa de degradação. Temos aqui esses gráficos temporais que mostram os resultados. Temos nossas atividades de água em 0,76 e 0,948, além das temperaturas que utilizamos, e estamos conduzindo isso como um estudo acelerado. Temos 30 °C, 40 °C e 50 °C. Basicamente, vamos inserir esses dados na calculadora e usar a equação de Arrhenius para ajudar a extrair as informações e correlacionar tudo. Assim que tivermos todos os nossos dados e os dados do estudo inseridos, poderemos indicar ao programa especificamente qual é o nosso interesse.

Qual é a temperatura que nos interessa? Qual é a atividade da água que nos interessa? Além disso, precisamos definir no estudo em que ponto consideraremos o fim da vida útil. Que porcentagem resta? No nosso caso, decidimos que o fim seria quando restassem 75% da vitamina C. Praticamente perderíamos 25% da nossa vitamina C e, então, consideraríamos isso como o fim da vida útil. Se você é um formulador ou fabricante e tem uma vitamina como a que você mencionou, você faz alegações sobre a quantidade de vitamina ou a potência do seu produto. Você basearia o fim da vida útil nesse valor.

Assim que conseguirmos inserir todas essas informações, o sistema poderá calcular o prazo de validade. No nosso caso aqui, com o ácido ascórbico, se considerarmos uma temperatura de 30 °C e uma atividade da água em torno de 0,8 — o que é bastante alto, mas algo que poderia ocorrer em um banheiro cheio de vapor —, isso corresponde a cerca de 80% de umidade relativa. Como eu disse antes, 75% será o limite. Teríamos 62 dias antes que esse ácido ascórbico deixasse de ter potência suficiente.

É basicamente assim que funciona a estabilidade química. Só precisamos monitorá-la e, se você conseguir medi-la, então poderá realizar esse estudo.

Zachary:

Mais uma vez, esta é outra ferramenta do Kit de Ferramentas de Análise de Umidade, voltada especificamente para a estabilidade química. Embora a coleta de dados possa levar algum tempo, uma vez que os dados estejam disponíveis, é fácil representá-los graficamente no kit de ferramentas. Você acabou de demonstrar que é possível inserir uma atividade de água inicial, uma temperatura de interesse e, em seguida, definir o que está limitando a vida útil do produto, obtendo rapidamente os cálculos. Embora possa levar algum tempo para configurar um estudo — e esses são estudos que podemos realizar ou também orientar os clientes a realizar usando câmaras de umidade —, uma vez que os dados tenham sido coletados, há muita flexibilidade nos cálculos e muitas informações que você pode obter. No seu caso, analisamos especificamente a vitamina C, mas isso poderia ser aplicado a qualquer coisa que possamos medir, qualquer coisa à qual possamos atribuir um valor.

Mary:

Isso vale para os dois sentidos. Neste caso, pode ser que essa seja a taxa de degradação, mas você poderia analisar um aumento de algum fator — como, por exemplo, uma reação de escurecimento ou algo semelhante — que se intensificasse com o tempo, e que fosse isso que encurtasse o prazo de validade. Talvez fosse um valor específico de cor. Não importa, desde que você consiga medi-lo. Se houver alguma maneira de realmente acompanhar essa mudança, então você pode transformá-la em uma taxa e obter gráficos como este.

Zachary:

Hoje em dia, há tantos suplementos nutricionais e tantos produtos em pó que o uso desse tipo de ferramenta poderia ajudá-los a entender qual é a meta de atividade de água, quais são as condições de validade ou o que leva ao fim da validade. Qual é a porcentagem de perda de uma determinada vitamina ou como eles podem fazer a alegação que consta no rótulo? Como eles têm certeza disso? Essa é uma boa maneira de fazer isso.

Mary:

Mais uma vez, no exemplo que você tem diante de si, é possível alterar os parâmetros de seu interesse. Você pode ajustar a temperatura e a atividade da água de acordo com sua necessidade, ou até mesmo a quantidade desejada no final. Tudo isso pode ser facilmente alterado; basta executar novamente a previsão.

Caracterização da estabilidade microbiana de pós

Zachary:

Por fim, a estabilidade microbiana. Muitos pós apresentam baixa atividade de água, e às vezes as pessoas não percebem que ainda pode haver um risco à segurança nesse caso. Quero dizer, os pós podem conter um microrganismo preocupante e, embora possam ser seguros, não são necessariamente estéreis. Depois de reidratar um pó, se houver um esporo ou um microrganismo preocupante, é nesse momento que podemos começar a observar alguns problemas de segurança. Sei que você contribuiu recentemente para um artigo e gostaria que falasse sobre o que estava nesse artigo.

Mary:

Você acertou em cheio. Existe a ideia de que, se um alimento tem baixo teor de umidade, não é preciso se preocupar com o crescimento microbiano nem se informar sobre a atividade da água; mas, na verdade, infelizmente, já houve muitos casos de recall envolvendo alimentos de baixo teor de umidade, nos quais ocorreram surtos de E. coli e salmonela — como na manteiga de amendoim, na farinha, em produtos como esses e na fórmula infantil. É desanimador. O que acontece é que a atividade da água é uma excelente forma de limitar o crescimento microbiano. Se a atividade da água estiver abaixo de 0,6, nada vai crescer. Isso dá uma falsa sensação de segurança. “Meu produto tem baixa atividade da água, não preciso me preocupar com isso”, mas a atividade da água não é uma etapa de eliminação, como você mesmo disse, o que significa que os micróbios ainda estão vivos, apenas em estado de estase.

Se forem expostos a um ambiente com maior umidade ou maior atividade de água, e se você adicionar farinha à massa de biscoito — que é exatamente o que se pretende fazer —, você acaba criando um ambiente onde esses microrganismos podem crescer e se proliferar, e fica claro como a salmonela, a E. coli ou qualquer outro agente pode se tornar perigoso para a população. Na verdade, esse é um tema bastante amplo. Quando fui a uma conferência sobre proteção alimentar recentemente, eles discutiram bastante isso, tiveram muitas sessões sobre o assunto, e, neste momento, há muitas pesquisas em andamento sobre o que podemos fazer para, possivelmente, esterilizar ou pasteurizar esses alimentos de baixa umidade. A pesquisa está sendo feita, e conhecemos vários pesquisadores — e sei que você também conhece — que estão trabalhando nisso muito ativamente para tentar pensar e encontrar maneiras de evitar o crescimento microbiano ou esses surtos que estão ocorrendo, de modo que possamos pasteurizar ou esterilizar esses alimentos de baixa umidade.

Zachary:

Uma das pesquisadoras com quem conversamos recentemente é a Dra. Jennifer Acuff, que está estudando alimentos de baixo teor de umidade e os ambientes em que são produzidos, buscando diferentes maneiras ou técnicas de higienização para impedir que patógenos transmitidos por alimentos estejam presentes mesmo em alimentos de baixo teor de umidade. Gravamos recentemente um podcast com ela, e esse foi um dos assuntos que ela abordou. Do meu ponto de vista, é importante manter o controle sobre a higiene e garantir que o ambiente esteja o mais limpo possível. Isso é algo sobre o qual também conversamos recentemente com o Dr. Minto Michael, da Washington State University, analisando a microbiologia e entendendo que existem diferentes combinações de temperatura, tempo e atividade da água, mas, como você mencionou, não é possível aquecer todos os tipos de alimentos, pois isso causaria alguma alteração estrutural.

Pode haver outras formas, como o processamento por micro-ondas ou por alta pressão, ou algo semelhante, que possamos utilizar em conjunto com a análise da atividade da água para garantir que esses alimentos sejam o mais seguros possível. Se quiser, você pode ouvir o podcast com o Dr. Acuff ou o Dr. Michael para saber mais sobre segurança alimentar.

Mary:

Também pensei em como a atividade da água realmente influencia durante a etapa de pasteurização. Mesmo que você consiga fazer isso, digamos, no caso de carne seca ou algo parecido, há uma combinação de tempo, temperatura e umidade necessária para que o processo seja eficaz. A outra questão é: se você consegue fazer isso, está criando um ambiente capaz de realmente matar o microrganismo em questão? Se você usar o tempo e a temperatura corretos, mas a umidade estiver baixa, a esterilização também não será tão eficaz. Com certeza, são todos esses fatores.

Resumo e recomendações

Zachary:

Para recapitular brevemente:

• Hoje falamos sobre pós e tentamos defini-los.
• Analisamos a estabilidade física, química e microbiana.
• Falamos sobre alguns dos produtos da AQUALAB que utilizamos para pesquisar e fundamentar o que discutimos hoje.

Uma coisa que eu gostaria de mencionar aqui é que, embora criemos soluções para medir produtos finais ou ingredientes, também temos uma solução integrada chamada SKALA Dry que pode ser de grande ajuda para produtos liofilizados.

Se você estiver enfrentando dificuldades para produzir um produto de qualidade consistente à medida que a temperatura e as estações do ano mudam, o SKALA Dry pode ajudá-lo automaticamente a atingir a atividade de água ideal para esse produto.

Além disso, não deixe de conferir o podcast que mencionamos, “Water In Food”. Também temos um canal no YouTube. Não deixe de ouvir e se inscrever.

Neste momento, vamos abrir a sessão para perguntas.

1. Existe alguma maneira de medir ou monitorar a higroscopicidade dos pós com os quais trabalho?

Zachary:

Ótima pergunta. Quando se trata de higroscopicidade, podemos observar a forma da curva isotérmica. Isso é algo que mencionamos anteriormente e que provavelmente podemos abordar novamente agora, mas o que importa é a inclinação das curvas.

Neste caso, estamos analisando diferentes excipientes, e quanto maior for a inclinação dessa curva, maior será a higroscopicidade e maior será a quantidade de água que esse pó específico retém ou absorve. Simplesmente observando o formato dessa curva, podemos perceber de forma rápida e visual a diferença no grau de higroscopicidade desses pós. Não sei se você gostaria de acrescentar algo.

Mary:

Essa é uma boa explicação. Basicamente, quanto mais íngreme for essa curva, mais higroscópico o material é, o que também significa que ele poderá contribuir com mais umidade para o seu produto final, seja ele qual for. Compreender essa relação e o grau de higroscopicidade de um material é, sem dúvida, um fator importante.

Zachary:

Gostaria apenas de acrescentar que, dependendo da sua fórmula, do seu objetivo ou do resultado final, você pode preferir uma inclinação maior ou não. O tipo de inclinação que você procura vai depender especificamente do produto e da fórmula.

Mary:

Se você deseja algo que aumente ou retenha a água conforme sua necessidade, essa é uma boa maneira de proceder. Você pode utilizar um ingrediente com alta capacidade de absorção, que retém bastante umidade e é capaz de adicionar muita umidade ao seu produto; assim, você pode ajustar a formulação para atingir a atividade de água específica que deseja. Mas isso não é necessariamente algo ruim, é apenas algo que se deve saber.

2. O que afetou mais a degradação da vitamina C: a temperatura ou a atividade da água?

Mary:

Tudo bem, vou responder a essa. A atividade da água foi, sem dúvida, o principal fator na degradação da vitamina C, mais do que a temperatura. Se você voltar e analisar os dados, poderá constatar isso por si mesmo, pois, ao comparar as reações em que variamos apenas a temperatura com aquelas em que variamos a atividade da água, fica bem claro, neste caso, que o fator mais importante é a atividade da água.

Zachary:

Isso vai depender especificamente de cada vitamina, e é algo sobre o qual temos conversado recentemente. Mas, mesmo que a vitamina C tenha se comportado dessa maneira específica, você terá que analisar cada vitamina ou cada ingrediente ativo, independentemente do que estiver em questão. Essa nem sempre será a tendência. Nem sempre será a atividade da água que terá maior influência. É necessário realizar esse tipo de estudo para entender qual deles terá maior impacto.

Mary:

Certo. Porque pode ser o oxigênio ou a vitamina E que se tornam rançosos. Dá para identificar isso e talvez haja uma resposta diferente para esse caso. Mas, no caso da vitamina C, foi a atividade da água.

3. De que forma a atividade da água ou o teor de umidade influenciam a rapidez com que um pó se dissolve?

Mary:

Eu diria que não se trata necessariamente da atividade da água ou do teor de umidade em si, mas sim da estrutura do próprio pó, da rapidez com que ele se dissolve e do ambiente em que esse pó vai estar. Se for, por exemplo, um preparado para bebida, ele estará em um ambiente com alta atividade da água, de modo que se dissolverá rapidamente. Mas isso depende. Por exemplo, se você tem algo que contém um hidrato, geralmente já há água ligada a ele, o que tende a fazer com que se dissolva mais rapidamente. Tudo depende. Não é tão simples quanto saber a atividade da água e o teor de umidade de um pó; tem mais a ver com a estrutura e com a rapidez com que ele pode se dissolver.

Zachary:

Gostaria de acrescentar que, ao analisar a isoterma e um teste DVS, se for possível identificar um ponto de deliquescência ou um ponto em que tudo se dissolve, podemos usar o teste DVS para entender quanto tempo isso vai demorar. Talvez analisando a estrutura e também levando em conta a isoterma.

Mary:

Certo. Uma característica importante de um pó é que ele se dissolva, pois a maioria dos pós que conhecemos deve fazer isso. Se você tem apenas um preparado para bebida, vai adicioná-lo a outra coisa. Mas e se você quiser evitar que ele empelote e forme grumos antes mesmo de ser embalado? Todos nós já passamos por isso ou já tivemos um preparado para bebida ou algo parecido, e ele fica duro. Talvez analisemos a curva isotérmica, determinemos qual é o ponto crítico para essa mistura e, então, garantamos que a embalagem assegure que ela não ultrapasse esse ponto, ou talvez precisemos adicionar um agente antiaglomerante ou algo do tipo. Todos esses fatores influenciam a solubilidade de um pó.

4. Como se compara o prazo de validade do pó amorfo ao do pó cristalino?

Zachary:

Isso vai depender do que está causando o fim da vida útil. Estamos diante de uma alteração na textura ou de uma alteração química? Primeiro, teríamos que definir como é esse ponto final e, em seguida, o que você acrescentaria a isso?

Mary:

Boa pergunta. Os pós cristalinos têm um ponto de deliquescência, como eu mencionei. Eu sei, mais uma vez, que eles passam diretamente do estado sólido para o líquido, e isso depende da umidade a que estão expostos. Se você conseguir manter o ambiente ao redor desse pó cristalino abaixo desse ponto, então ele pode alterar a atividade rapidamente sem alterar a estrutura do pó. Você pode ter uma vida útil realmente longa. Pense na sacarose, no NaCl ou em algo parecido. Você simplesmente tem uma vida útil longa com isso.

Mas se estiver acima disso, aí você terá problemas. Tudo isso importa, ao contrário do que você disse: o que vai reduzir o prazo de validade? A que tipo de ambiente o produto será exposto? Então, o que faz sentido? Também fizemos um webinar sobre adoçantes, e essa foi uma parte interessante sobre os adoçantes e suas características de solubilidade; estamos alternando entre estruturas amorfas e cristalinas, e como isso poderia precipitar-se essencialmente de um produto é uma questão complicada. Existe uma resposta definida? Talvez eu tente simplificar. Estruturas cristalinas: se você conseguir mantê-las abaixo desse ponto crítico, pode expô-las a qualquer coisa abaixo disso. Na verdade, isso não vai mudar, porque toda interação com a água ocorre na superfície. Mas, novamente, se estiver acima disso, ou se for uma reação química, ou se for outra coisa, então é outro assunto que precisamos discutir.

Zachary:

Gostaria apenas de acrescentar que, no caso de sólidos cristalinos ou pós, seus pontos de deliquescência costumam ser bastante elevados, talvez em torno de 0,9 de atividade de água ou algo nesse intervalo, enquanto um pó amorfo pode apresentar uma alteração física entre 0,3 e 0,6 de atividade de água. Se considerarmos apenas a textura, e se isso for o que determina o prazo de validade, imagino que a maioria dos sólidos cristalinos tenha um prazo de validade mais longo. Mas se o que nos preocupa é a estabilidade química ou a reação química, será necessário um estudo mais aprofundado e um experimento para responder a essa pergunta.

Mary:

Outro aspecto relacionado aos cristais que não mencionamos é que, se tivermos partículas de tamanho pequeno, estruturas ou formas irregulares, ou tamanhos variados, isso pode influenciar onde começará a ocorrer a formação de pontes de forma inesperada na umidade ambiente. Mesmo que o cristal permaneça abaixo do ponto de deliquescência, o tamanho das partículas também influenciará, sem dúvida, a estabilidade dessa estrutura cristalina.

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