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Influência da Atividade de Água nas Reações Químicas e Bioquímicas Tânia M. M. Shibata Decagon Devices LatAm.
Influência da Atividade de Água nas Reações Químicas e Bioquímicas
Tânia M. M. Shibata
Decagon Devices LatAm.
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Decagon Devices Inc., empresa norte-americana com sede no Estado de Washington, desde1983 a Divisão AquaLab desenvolve e fabrica equipamentos com aplicações nas áreas de alimentos, farmacêuticas, cosmética, materiais, ração animal, etc. Sinônimo de atividade de água (aw), o AquaLab tornou-se o instrumento mais utilizado nas indústrias, instituições de ensino, e centros de pesquisa de todo o mundo, sendo que 80 de cada 100 empresas de alimentos utilizam o AquaLab. Com representação em mais de 62 países, a Decagon está em fase de implementação de sua subsidiária para a América Latina, que está sendo instalada na cidade de São José dos Campos - polo tecnológico da região, localizada a cerca de 80 KM da cidade de São Paulo - de onde passará a atender diretamente os clientes da Decagon no Brasil e América Latina. Entre os serviços a serem oferecidos pela nova subsidiária estão: consultoria pré-venda, venda de equipamentos, manutenção, calibração, certificacao, seminários, suporte técnico
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Algumas perguntas antes de iniciarmos a apresentação
Alimentos, Fármacos e Cosméticos
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A maioria dos alimentos, cosméticos, fármacos são compostos por polímeros, carboidratos, proteínas, lipídeos, micro-nutrientes como vitaminas, ferro, fósforo, cálcio, etc. e em comum a água. Como a água se comporta dentro desse materiais?
Por que… o leite em pó empedra? o pão embolora?
o cabelo enrola e arma? a maquiagem mofa?
o comprimido quebra?
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Por que alguns produtos se desidratam e outros se hidratam? Porque todo produto tende a entrar em equilíbrio com o ambiente a sua volta, tanto em temperatura quanto em umidade relativa. Portanto se UR do ar é mais alta que a do produto, este ganha a umidade do ar e a UR for mais baixa, o produto perde água para o ambiente. Qual a consequência em se ganhar ou perder água? Nós temos um higrômetro natural que é o cabelo. O cabelo é um polímero que tende a entrar em equilíbrio com a UR. Em dias frios os produtos ressecam ou hidratam?
Fatores que influenciam na velocidade do equilíbrio Área superficial – tamanho das
partículas
Velocidade do ar
Temperatura
Pressão atmosférica
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Sempre ocorrerá o equilíbrio com o meio ambiente e para alcançar esse equilíbrio os fatores que mais influenciam são: o tamanho das partículas, a velocidade do ar a temperatura e pressão.
Atividade de água ≠ Umidade
Atividade de água Medida do estado da energia da água em um sistema. (Qualitativa). Uma qualidade interna que não depende da quantidade de amostra. Umidade Quantidade de água presente em uma amostra sobre base seca ou úmida. Uma propriedade extensiva que depende da quantidade de amostra.
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Atividade de água antigamente era definida como água livre. Umidade é importante para os cálculos nutricionais em base seca e base úmida.
Atividade de água ≠ Umidade
Atividade de água Padronização com soluções salinas Umidade
Não tem padrão
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Presentation Notes
Atividade de água antigamente era definida como água livre. Umidade é importante para os cálculos nutricionais em base seca e base úmida.
Definindo Atividade de água - aw
Definições de aw
µ = µo + RT ln (f/fo)
Fugacidade
Constante Gases Temperatura
Potencial químico
Potencial químico de uma substância pura
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A termodinâmica nos informa que quando um sistema com multi-fases está em equilíbrio, o potencial químico µ1 individual dos componentes é o mesmo em todas as fases. Por isso para determinar o potencial químico é suficiente medir qualquer fase. A maioria dos alimentos é um sistema multi-fase sendo a água um componente importante. A descrição da água do alimento através da termodinâmica leva ao conceito de atividade definida por Lewis e Randall (1961) como “atividade é, a uma dada temperatura, a razão da fugacidade f de uma substância e a sua fugacidade f0, em um estado que por conveniência foi escolhida como estado-padrão”. existe relação entre o parâmetro atividade (definido acima) e outras propriedades termodinâmicas definidas como energia livre, entalpia, potencial químico, pressão osmótica e outros.
Lewis e Randall (1961) : conceito de atividade. A fugacidade é igual a pressão vapor
(f = p)
aw = f/fo = p/po
Pressão de vapor da água na amostra a ºC
aw = ——————————————————
Pressão de vapor da água pura ºC
aw = URE (%) /100
Definições de aw
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Presentation Notes
Atividade de água é a pressão de vapor parcial da água de uma amostra em razão da pressão de vapor da água pura a mesma temperatura. Fugacidade é medida da tendência ao escape de uma substância. Isso pode ser substituído pela pressão de vapor p, desde que o vapor se comporte como um gás ideal. O termo estado-padrão refere-se a amostra sendo caracterizada sobre condições bem definidas, que foram escolhidas para utilização como referência. Note que a medida de referência é na mesma temperatura da amostra em estudo, indicada por T.
Atividade de água
Água pura
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Atividade de água a da água pura = 1,00 e de outros alimentos. Produtos com aw mais alto se coloca na geladeira. Alguns cosméticos:Máscara facial = 0,987; Rinse de limpeza = 0,992 Creme noturno = 0,964 Creme p/ olhos = 0,974 Delineador de olhos = 0,998 Loção p/ face e corpo = 0,989 Pós = <0,50
aw e Reações químicas
A água nos produtos se comportam como:
Reagente: ex. hidrólise da sacarose Solvente: ex. diluição de substratos,
diminuindo a velocidade de reação. Modificador da mobilidade dos reagentes:
afeta a viscosidade. Alteração da matriz do sólido. Formação de pontes de hidrogênio ou
complexos com reagentes especiais: ex. oxidação de lipídeos
Oxidação lipídica
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A oxidação do lipídeo ocorre pela presença de luz, oxigênio e água. Aw baixa - mais rápida oxidação devido ao menor número de ligação de hidroperóxidos à água�Aw alta - mais rápida oxidação devido à dissolução aumentando íon metálico catalisadores (formadores de radicais livres) e aumento da mobilidade molecular. A quantidade de água presente na matriz pode afetar a estabilidade oxidativa dos lipídios. Dados experimentais permitiram verificar que as velocidades mais baixas do processo de oxidação dos lipídios se observam para valores de atividade da água (aw) compreendidos entre 0,2 e 0,3 7. A velocidade de oxidação aumenta para valores inferiores e muito próximos de zero (estado de desidratação), ou superiores. O primeiro caso pode explicar-se pela formação de canais na matriz como resultado da eliminação de água, através dos quais é favorecida a migração do oxigênio. O segundo resulta provavelmente do favorecimento de reações de oxidação enzimática e da capacidade de mobilização de metais de transição (pró-oxidantes) pela água. Componentes intermediários da reação de escurecimento não enzimático agem como anti-oxidantes.
Degradação de nutrientes
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Presentation Notes
Tendência genérica da degradação da vitamina com o aumento da aw.
Labuza, T. P. 1974. Storage stability and improvement of intermediate moisture foods. NAS Contract 9-125-60, Phase II, Final Report:10-81.
Degradação de nutrientes
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Presentation Notes
Experimento Dr. Labuza sobre o comportamento da vitamina C em diferentes aw. A velocidade de degradação a 0,84aw foi de menos de 24h e a 0,32aw de muitos dias.
Degradação de nutrientes
Kirk, J. R. (1981). Influence of water activity on stability of vitamins in dehydrated foods. In: Water Activity: Influences on Food Quality Rockland, L. B. and Stewart, G. F. eds. Academic Press, New York p.631.
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Presentation Notes
K= constante da velocidade de reação de 1° ordem (isotérmica). A velocidade de reação das vit A, B1, B2 e C aumentaram conforme aumentou a aw de 0,24 para 0,65. A vit. B é mais estável a aw do que a A e a C.
Reação de escurecimento não enzimática / Reação de Maillard
Presenter
Presentation Notes
Escurecimento não enzimático: fonte de açúcar redutor + H2O + temperatura. exemplo caramelização do açúcar Reação de Maillard precisa de fonte de C, N, H2O e temperatura. Exemplo frango cozido e assado.
Reação de escurecimento não enzimática / Reação de Maillard
Presenter
Presentation Notes
Escurecimento não enzimático: fonte de açúcar redutor + H2O + temperatura. exemplo caramelização do açúcar Reação de Maillard precisa de fonte de C, N, H2O e temperatura. Exemplo frango cozido e assado.
Atividade da enzima
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Presentation Notes
A atividade enzimática aumenta com o aumento da aw. Aw influencia a mobilidade do substrato e a reação dos produtos. A estabilidade, armazenagem ou inativação da enzima são influenciadas pela aw.
Atividade da enzima
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Presentation Notes
A atividade enzimática aumenta com o aumento da aw. Aw influencia a mobilidade do substrato e a reação dos produtos. A estabilidade, armazenagem ou inativação da enzima são influenciadas pela aw.
Atividade da enzima
(days)
Hidrólise de lecitina
Acker, L. & Kaiser, H. (1959). Zeitschrift Fuer Lebensmittel-Untersuchung Und -Forschung. 110:349-356.
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Presentation Notes
Aw menor do que 0,30 previne a desnaturação proteica e o crescimento microbiano enquanto previne a atividade enzimática.
Atividade enzimática e estabilidade
Atividade enzimática A água pode:
Dissolver o substrato Aumentar a mobilidade do
substrato Ser um reagente Influenciar a seletividade
da reação
Estabilidade da enzima A água pode influenciar a
Desnaturação Hidrólises Desaminação Oxidação
Formação de butil butirato (%) (esterificação) e ácido butírico (%) (hidrólise) em 2 aw (0,33 e 0,96) como função do tempo de incubação em 100 mM substrato, 0,05 g C. rugosa lipase a 40C. (Chowdary,G.V., andS.G.Prapulla. 2002. The influence of water activity on the lipase catalyzed synthesis of butyl butyrate by transesterification. Process Biochemistry 38(3):393-397).
Drapron, R. (1985) Enzyme activity a a function of water activity. In Properties of Water in Foods. Simato, D. and Multon, J.L. (ed.), Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht, The Netherlands.
Atividade da enzima
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Presentation Notes
A lipase é ativa até aw muito baixa 0,025 quando o óleo de oliva, trilaurino e trioleina é utilizada como substrato. Semelhante estudo com óleo de girassol a oxidação enzimática catalisada por lipoxigenase ocorreu a aw 0,05. Isso se deve a mobilidade do sistema oleoso.
Denaturação de proteínas, gelatinização e retrogradação do amido
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Presentation Notes
Quanto maior a aw menor a temperatura para denaturar as proteínas. A gelatinização não ocorrerá se não houver a presença de água nas vizinhas. A temperatura para gelatinização é maior com menor aw e menor a velocidade de retrogradação.
Perda de crocância de salgadinhos
Algodão doce em diferentes UR
Textura do alimento em função da região de sorção na isoterma
Região 1 (baixa umidade)
Seco Duro
Quebradiço Encolhido
Região 2 (umidade intermediária)
Seco Firme
Flexível
Região 3 (alta umidade)
Úmido Macio
Inchado Pegajoso
Para se manter as propriedades de fluidez e prevenir o empedramento de pós Estabelecer o valor de aw crítico Tratamento dos pós para valores abaixo
do aw crítico. Utilizar embalagem de alta barreira a umidade Armazenar em baixas temperaturas Saches dessecantes Adição de agentes antiumectantes
Fluidez do pó e empedramento
Quanto mais alto aw mais rápidas a velocidade de reação, portanto mais curta a vida de prateleira. Para a maioria dos alimentos secos, um aumento de aw de 0,1 diminui a vida de Prateleira em 2 ou 3 vezes.
Vida de prateleira – valor crítico aw
Bell, L. N. and Labuza, T. P. (1994). Influence of the low-moisture state on pH and its implication for reaction kinetics. Journal of Food Engineering. 22:291-312.
Controle de atividade de água
Desidratação do Produto Revestimento com filmes
comestíveis Prevenir a migração da
água entre os ingredientes em amostra com multi componentes.
Agentes modificadores de aw
Sais: NaCl; KCl.
Açúcares: Sacarose; Glucose;
Umectantes: Gliceróis; Sorbitol.
Antiumectantes: Alumínio Silicato de Sódio; Carbonato de Cálcio; Carbonato de Magnésio.
Plastificantes: Monoglicerídeos acetilados; Citratos de alquila (embalagens); Óleos vegetais.
Instrumentos Decagon
AquaLab Series 4TE DUO Atividade de água e Umidade
PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO AQUALAB SERIES 4
Ponto de Orvalho O espelho se resfria até que se forme o orvalho. Célula fotoelétrica detecta o ponto exato da primeira condensação no espelho. Um termopar grava a temperatura na qual ocorreu a condensação. AquaLab então emite um sinal sonoro e apresenta os valores de atividade de água final e temperatura.
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Presentation Notes
AquaLab utiliza a técnica do ponto de orvalho em espelho resfriado para medir a atividade de água das amostras. No instrumento que utiliza a técnica de ponto de orvalho, a amostra é colocada dentro de uma câmara selada e entra em equilibrio com o espaço vazio que contém um espelho e um meio de detecção de condensação no espelho. No equilíbrio, a umidade relativa do ar na câmara é a mesma que a atividade de água da amostra. No AquaLab, a temperatura do espelho é precisamente controlada pelo sistema termoelétrico (Peltier). A detecção do ponto exato na qual aparece a primeira condensação no espelho é observada com uma célula fotoelétrica. O foto detector sente a mudança na reflexão quando ocorre a condensação no espelho. Um termopar ligado ao espelho grava a temperatura na qual ocorreu a condensação. AquaLab então emite um sinal sonoro e apresenta os valores de atividade de água final e temperatura. Em adição a técnica descrita acima, AquaLab utiliza uma ventoinha interna para circular o ar dentro da câmara de amostra para reduzir o tempo de equilíbrio. Desde que ambas as temperaturas do ponto de orvalho e da superfície da amostra são simultaneamente medidas, é eliminada a necessidade do equilíbrio térmico completo, o que reduz o tempo de medida para menos de cinco minutos.
Constante dielétrica
AquaLab PRE Cap Pawkit
Sensores dielétricos A umidade altera as propriedades elétricas de um material higroscópico em equilíbrio com o ar que está sobre a amostra. Constante dielétrica ou Capacitância
Eletrodo Poroso
Eletrodo Poroso
Polímero Higroscópico
Cabos Elétricos
Mais algumas perguntas antes de encerrarmos a apresentação
Agradecemos a sua participação
Decagon Devices LatAm
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