Atividade de Água

Analisadores de atividade de água (aw) por ponto de orvalho (dewpoint), capacitância e a laser. Para todas as aplicações nas indústrias de alimentos, farmacêuticos, cosméticos, ração animal, etc. Leia mais abaixo:

O que é Atividade de Água?

A água é reconhecida como sendo muito importante, se não crítica, para a estabilidade da maioria dos produtos. O controle do conteúdo de água em um produto, por algum método de secagem ou por ligação química / estrutural (sal ou açúcar), há muito tempo é utilizado pelo homem para preservação. Isso não apenas controla a deterioração microbiana, mas também a estabilidade química e física.

A Umidade Sozinha Não é um Preditor Confiável

Tradicionalmente, discussões sobre água em produtos acabados ou ingredientes foca no teor de umidade, que é uma análise quantitativa ou volumétrica para determinar a quantidade total de água presente em um determinado produto. A umidade de um produto é um conceito familiar para a maioria das pessoas. Mede-se o conteúdo de água por perda de peso em secagem,  NIR ou titulação Karl Fisher. A determinação da umidade é essencial para rotular corretamente um produto de acordo com a legislação, na formulação e os processos de fabricação. Contudo, a umidade por si só não é preditor confiável de respostas microbianas e reações químicas nos materiais.

Água Quimicamente Ligada é Indisponível para Micro-organismos

As limitações na medição da umidade, como indicador de segurança e qualidade, são atribuídas às diferenças na intensidade de ligação entre a água e os outros componentes no produto. A umidade de um produto considerada segura varia de produto para produto e de formulação para formulação. Um produto seguro e estável pode conter 15% de umidade, enquanto outro com apenas 8% pode estar suscetível ao desenvolvimento de bactérias. Embora o produto mais úmido contenha proporcionalmente mais água, sua água está quimicamente ligada por outros componentes, tornando indisponível para micro-organismos. Usando apenas os valores de umidade, é impossível saber quão “disponível” a água está no produto para favorecer o desenvolvimento microbiano ou para influenciar na qualidade do produto.

Atividade de água (aw) é mais Relevante para Qualidade e Segurança do Produto

Outro tipo ainda mais importante de análise da água, é a atividade da água (aw). A atividade de água descreve o estado de energia ou a tendência de fuga da água em uma determinada amostra. Ele indica como a água está fortemente “ligada”,  estrutural ou quimicamente, aos componentes. Tanto o teor de umidade como a atividade da água de uma amostra devem ser especificados para descrever o status da água. Contudo, atividade de água é a propriedade mais relevante para questões de qualidade e segurança. A atividade de água está intimamente relacionada à energia livre  de Gibbs. Assim, a atividade da água é uma conceito termodinâmico e tem requisitos para medições. Os requisitos incluem o sistema estar em equilíbrio,  temperatura definida e ter um padrão de referência especificado. A água pura é usada como referência pelo qual o status energético da água em sistemas de alimentos é analisado. Como a energia livre de Gibbs da água livre é zero, a atividade da água é 1,0.

Testes Laboratoriais de Isotermas e Atividade de Água

A Atividade de Água é uma Proporção das Pressões de Vapor

A atividade da água é a razão entre a pressão de vapor da água em um material (p) e a  pressão de vapor da água pura (p0) ambas na mesma temperatura. A umidade relativa do ar é a razão entre a pressão de vapor do ar e a sua pressão de vapor de saturação. Quando o equilíbrio de vapor e temperatura são obtidos, a atividade da água da amostra é igual à umidade relativa do ar ao redor da amostra em uma câmara de medição selada. Ao multiplicar a atividade de água por 100, resultará na umidade relativa de equilíbrio (URE) em porcentagem.

aw = p/p0 = URE (%) / 100

Conforme descrito pela equação acima, atividade da água é uma proporção de  pressões de vapor e, portanto, não possui unidades. Isto varia de 0,0aw (absolutamente seco) a 1,0aw (água pura).

Água Ligada Não Significa Totalmente Imobilizada

Às vezes, a atividade de água pode ser descrita em termos de Água “ligada” e “livre” em um produto. Embora esses termos sejam mais fáceis de conceituar, eles não conseguem definir todos os aspectos do conceito de atividade de água. Água “livre” não está submetida a qualquer força que reduza sua energia; portanto, toda a água dos alimentos é água “ligada”. A questão não é se a água está “ligada”, mas o quanto que está “ligada”. A atividade de água é uma medida que define quão fortemente a água está “ligada” e quanta energia é necessária para remover a água do sistema. Água que é “ligada” não deve ser considerada totalmente imobilizada. Processos microbianos e químicos estão relacionados a este estado “limitado” e energético de forma fundamental. Visto que a água está presente em diferentes estados energéticos, métodos analíticos que tentam medir a umidade total em algumas amostras nem sempre concordam ou se relacionam a segurança ou qualidade do produto.

AquaLab 4TE analisador de atividade de água

Água “Ligada” ou “Livre” Não São os Termos Corretos Para Descrever o Processo

Existem vários fatores (osmótico, matricial e capilar) que controlam a atividade de água em um sistema. A combinação destes fatores em um produto é que reduz a energia da água, e assim, reduz a pressão de vapor acima da amostra em comparação com a água pura. Devido aos variados graus de interações osmóticas e matriciais, a atividade de água descreve melhor o estado de energia contínuo da água em um sistema, que vai além de sua “ligação” estática.  Assim, os termos “água ligada” ou “água livre” não são descrições boas, uma vez que é uma mera tentativa de classificar o meio contínuo em termos de estados limitados.

Existem Dois Métodos para Analisar a Atividade de Água (aw)

Não há equipamento que possa ser utilizado em um produto para medir diretamente a aw. Em vez disso, a aw é medida por métodos indiretos. A atividade de água é medida quando a água da amostra equilibra-se com a água na fase de vapor de uma câmara selada de leitura, medindo a umidade relativa do espaço livre da câmara. Os métodos para determinação da atividade de água são detalhados nos Métodos Oficiais de Análise da AOAC International (AOAC Official Method 954.68). Novas tecnologias de instrumentos melhoraram muito a velocidade, exatidão e confiabilidade das medições. Instrumentos de laboratório confiáveis são necessários para garantir a segurança dos produtos e fazer cumprir os regulamentos governamentais. Dois tipos diferentes de instrumentos de atividade de água são comercialmente disponíveis: Um utiliza tecnologia de ponto de orvalho por espelho resfriado, enquanto o outro emprega sensores por resistência elétrica ou capacitância. Cada um tem suas vantagens e desvantagens. Os métodos variam em exatidão, repetibilidade, velocidade de medição, estabilidade na calibração, linearidade e conveniência de uso.

Ponto de Orvalho por Espelho Resfriado

Em um sistema com sensor de ponto de orvalho por espelho resfriado, a amostra é colocada em uma cápsula de amostra que é selada defronte ao sensor. Dentro da câmara de leitura há um sensor de ponto de orvalho, um termômetro de infravermelho de alta-precisão e uma ventoinha. O sensor ponto de orvalho mede a temperatura de formação do orvalho do ar e o termômetro infravermelho mede a temperatura da amostra. A partir dessas duas medidas é possível determinar a umidade relativa de equilíbrio no espaço vazio, que é computado como a relação da temperatura do ponto de orvalho com a pressão de vapor de saturação e a pressão de vapor de saturação na temperatura da amostra. Quando a atividade de água da amostra e a umidade relativa do ar estão em equilíbrio, a medição da umidade relativa do espaço vazio é a atividade da água da amostra. A ventoinha acelera este processo de equilíbrio e controla a condutância da camada limite do sensor de ponto de orvalho.

Aqualab PRE Dewpoint Capacitancia medidor de atividade de água

Medição da Atividade da Água em Menos de 5 Minutos

As principais vantagens do método de ponto de orvalho por espelho resfriado são duas: velocidade e exatidão. O método por ponto de orvalho é uma abordagem primária para medição da umidade relativa com base em princípios termodinâmicos. Os instrumentos que utilizam a técnica de espelho resfriado são mais exatos (± 0,0030 aw) e mais rápidos, em geral menos de 5 minutos. Como a medição é com base na determinação da temperatura, a calibração é desnecessária, mas utilizando uma solução salina é possível verificar o bom funcionamento do instrumento. Se for detectado algum problema, o sensor é facilmente acessível e pode ser limpo em alguns minutos. Para algumas aplicações, as leituras rápidas permitem aos fabricantes monitorarem a atividade de água diretamente na linha de produção.

Higrômetros Elétricos

Outros instrumentos de atividade de água usam sensores de resistência ou capacitância para medir a umidade relativa. Estes sensores são feitos a partir de um polímero higroscópico associados  a circuitos que emitem um sinal referente a umidade relativa de equilíbrio (URE). Instrumentos disponíveis comercialmente medem em toda a faixa da aw com uma precisão de ± 0,015aw. Uma vez que estes instrumentos relacionam um sinal elétrico à umidade relativa, o sensor deve ser calibrado com soluções salinas padrão. Além disso, a URE é igual à atividade de água da amostra apenas enquanto as temperaturas da amostra e do sensor são as mesmas. Medições precisas requerem o bom controle e medição da temperatura. Algumas das vantagens dos sensores de capacitância incluem o seu design simples e também uma implementação barata.

Atividade de Água (aw) para Segurança e Qualidade dos Produtos

A aplicação do princípio de atividade de água como uma medida de qualidade e segurança surgiu quando se tornou evidente que o teor de umidade não podia explicar adequadamente as flutuações de crescimento microbiano. A atividade de água é uma medida do estado de energia da água em um sistema. O conceito de atividade de água (aw) atende aos microbiologistas e tecnólogos em alimentos há décadas e é o critério mais usado para segurança e qualidade. Sua utilidade não pode ser negada.

Prevendo a Segurança e Estabilidade do Produto

A atividade de água prevê segurança e estabilidade do produto em relação ao desenvolvimento microbiano, taxas de reações químicas e bioquímicas e propriedades físicas. O gráfico ao lado, Figura 1 ao lado, mostra a estabilidade em termos de limites de desenvolvimento microbiano e taxas de reações de deterioração em função da atividade de água. Portanto, ao medir e controlar a atividade de água, é possível: a) prever quais microrganismos serão potenciais fontes de deterioração e infecção, b) manter a estabilidade química dos produtos, c) minimizar reações de escurecimento não-enzimático e reações de oxidação lipídica, d) prolongar a atividade das enzimas e vitaminas, e e) otimizar as propriedades físicas de produtos como migração de umidade, textura e prazo de validade vida de prateleira.

Crescimento Microbiano

Há um limite no nível de atividade de água presente, no qual os microrganismos conseguem se desenvolver. Atividade de água, não umidade, determina o limite inferior de água disponível para o desenvolvimento microbiano. Como bactérias, leveduras e mofo requerem uma certa quantidade de água para sustentar o desenvolvimento, projetar um produto com a atividade de água abaixo de um ponto crítico, fornece um meio eficaz para controlar o desenvolvimento microbiano. A água pode estar presente em um produto, mesmo em altos níveis de conteúdo, mas se o nível de energia for suficientemente baixo os microrganismos não poderão utilizar a água para sustentar seu próprio desenvolvimento. Esta condição “desértica” cria um desequilíbrio osmótico entre microrganismos e o meio-ambiente local. Consequentemente, os microrganismos não podem proliferar e seus números diminuirão até eventualmente morrerem.

Limitando o Desenvolvimento de Microrganismos

Enquanto a temperatura, o pH e vários outros fatores podem influenciar se um organismo desenvolverá em um produto e a taxa com que proliferará, a atividade de água é frequentemente o fator mais importante. A atividade de água pode ser combinada com outros fatores (barreiras), como temperatura, pH, potencial redox, etc., para estabelecer condições que inibem microrganismos. O nível de atividade de água que limita o desenvolvimento da grande maioria das bactérias patogênicas é 0,90 aw; 0,70 aw para mofos de deterioração e o limite inferior para todos os microrganismos é 0,60 aw. Essa tabela (ver tabela de atividade de água e o desenvolvimento de microrganismos em alimentos) lista os limites de atividade de água para o desenvolvimento de microrganismos significativos para a saúde e exemplos de produtos nos intervalos.

Reação Química / Bioquímica

A atividade de água influencia não apenas na deterioração microbiana, mas também na reação química e enzimática. A água pode influenciar a reação química de formas diferentes; pode também atuar como um solvente, reagente ou alterar a mobilidade dos reagentes, afetando a viscosidade do sistema. A atividade de água influencia o escurecimento não enzimático, oxidação lipídica, degradação de vitaminas e outros nutrientes, reações enzimáticas, desnaturação de proteínas, gelatinização e retrogradação do amido Normalmente, quando o nível da atividade da água é reduzido, a taxa de reações de degradação química também diminui.

Propriedades Físicas

Além de prever as velocidades das várias reações químicas e enzimáticas, a atividade de água afeta as propriedades de textura dos alimentos. Alimentos com alta aw tem uma textura mais úmida, suculenta e macia. Quando a atividade da água desses produtos diminuem, ocorrem alterações de textura indesejáveis, tais como dureza, secura, firmeza e resistência. Produtos com baixa atividade de água normalmente os atributos de textura descritos são crocantes, enquanto produtos com maior aw são descritos como empapados. Atividade de água crítica também determina onde os produtos se tornam inaceitáveis do ponto de vista sensorial.

Aglomeração, Empedramento, Colapso e Viscosidade

A atividade de água é um fator importante que afeta a estabilidade de pós e produtos desidratados durante o armazenamento. Controlar a atividade de água em um produto em pó ajuda a manter a estrutura do produto, textura, estabilidade, densidade e propriedades de reidratação adequadas. Conhecimento da atividade de água em pós em função da umidade e temperatura é essencial durante o processamento, manuseio, dimensionamento de embalagem e armazenamento para evitar os fenômenos danosos do empedramento, aglomeração, colapso e viscosidade. Empedramento é dependente da atividade de água, do fator tempo e da temperatura, e está relacionado aos fenômenos de colapso do pó sob força gravitacional.

Migração de umidade

Como a atividade da água é uma medida do estado de energia da água, as diferenças nas atividades de água entre os componentes de um produto, são a força motriz para migração da água, até o sistema atingir o equilíbrio. Assim, a atividade de água é um parâmetro importante para controlar a migração da água nos produtos multicomponentes. Alguns alimentos contêm componentes com diferentes níveis de atividade de água, como biscoitos recheados ou cereais com frutas secas. Por definição, a atividade de água é o fator que determina se a água migrará de uma região de alta aw para uma região de baixa aw, sendo que a velocidade de migração depende também de outros fatores. Mudanças indesejáveis na textura do produto podem ser explicados pela migração de água nos alimentos multicomponentes. Por exemplo, a migração da água das frutas secas com aw mais alta para a aw mais baixa do cereal, faz com que a fruta fique mais dura e seca, enquanto o cereal fica com o aspecto de saturado.

Água se ajusta entre os Materiais até a Atividade de Água Entrar em Equilíbrio

Diferenças nos níveis de atividade de água entre componentes ou entre um componente e a umidade relativa do ambiente, são uma força motriz para a migração da água. Entender que a água absorver ou dessorver em um determinado componente é essencial para evitar sua degradação, especialmente se a substância é sensível à umidade. Por exemplo, se quantidades iguais de componente 1 a 2% e componente 2 a 10% de umidade forem misturados, haverá troca de umidade entre o componentes? A umidade final do material misturado deveria ser 6%, mas será que houve alguma troca de umidade entre o componente 1 e 2? A resposta é, depende da atividade de água dos dois componentes. Se a atividade de água dos dois componentes são as iguais, então não haverá troca de umidade entre o dois componentes. Além disso, dois ingredientes com a mesma quantidade de umidade pode não ser compatíveis quando misturado. Se dois materiais com diferentes atividades de água, mas a mesma umidade são misturados, a água ajustará entre os materiais até um equilíbrio de atividade de água ser obtido.

Prazo de validade / Vida de Prateleira / Embalagem

A atividade da água é um parâmetro essencial para determinar o prazo de validade dos produtos. Os níveis superiores e inferiores da atividade de água crítica podem ser estabelecidos com respeito ao desenvolvimento microbiano, textura, sabor, aparência, aroma, nutrição e características de preparo dos produtos alimentícios. Taxa de permeabilidade ao vapor de água da embalagem e a velocidade de alteração da aw do alimento para atingir o limite crítico determinará a vida de prateleira do produto. O conhecimento da temperatura, umidade relativa do ambiente de armazenamento e o valor de aw crítica do produto,  auxilia na seleção de uma embalagem com as corretas propriedades de barreira e otimizam a qualidade e o prazo de validade.

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 Conformidade Governamental

A legislação para alimentos, medicamentos e cosméticos no Brasil, EUA e outros países busca garantir ao consumidor que os alimentos são saudáveis, seguros e produzidos em boas condições sanitárias. E que também os medicamentos e dispositivos médicos são seguros e eficazes para os usos pretendidos, os cosméticos são seguros e elaborados com ingredientes apropriados e que todas as etiquetas e embalagens são verdadeiras, informativas e não duvidosas. Métodos científicos modernos são necessários para fazer cumprir as leis relacionadas aos alimentos, medicamentos, cosméticos e ração animal, entre outros. Leis para garantir a integridade dos alimentos, a segurança e eficácia dos medicamentos seriam impraticáveis sem métodos confiáveis de análise laboratorial para determinar se os produtos estão dentro dos padrões.

Boas Práticas de Fabricação

O Brasil têm uma das maiores e mais seguras cadeias produtivas de alimentos do mundo. Nos EUA, o FDA através de suas normas de boas práticas de fabricação incorpora diretrizes de atividades de água na definição de regulamentos de segurança alimentar. Os regulamentos das BPF detalham as especificidades requeridas e as práticas a serem seguidas pela indústria, para garantir que os alimentos são produzidos em condições sanitárias adequadas e que são genuínos, saudáveis, e seguros para consumir. Partes específicas e alguns parágrafos aplicáveis da BPF, capítulo 21 do código de Regulamentos Federais usam aw em relação às medidas de controle e segurança alimentar. No entanto, as BPF sozinhas nem as agências reguladoras podem garantir completa segurança no suprimento de alimentos. Consequentemente, um sistema baseado em Análise de Perigos e Pontos Críticos de Controle – APPCC (HACCP em inglês) foi criado para melhorar a segurança alimentar e reduzir a incidência de doenças transmitidas por alimentos.

Interação de pH e aw para controle de esporos em alimentos tratados termicamente

Detecção em Processo

O HACCP é um sistema em que a indústria monitora e previne problemas e garante alimentos seguros,  controlando o processo de produção do início ao fim, ao invés de detectar problemas somente no final. Este sistema também identifica os locais de riscos  no processo de produção de alimentos e implementa ações para impedir que os problemas aconteçam. Por exemplo, uma atividade de água alvo deve ser estabelecida para evitar riscos de crescimento de microrganismos. Ao controlar os principais riscos alimentares, como microbiológicos, químicos e contaminantes físicos, a indústria garante aos consumidores que seus produtos são seguros.

Alimentos Potencialmente Perigosos

O termo alimento potencialmente perigoso (PHF) foi desenvolvido pelos EUA no Serviço de Saúde Pública durante o último metade do século XX para regular alimentos perecíveis. Alimentos potencialmente perigosos significa que um alimento requer controle de tempo / temperatura para sua segurança (TCS), para limitar o crescimento de microrganismos patogênicos ou formação de toxinas. Os alimentos são considerados não-PHF quando a aw é igual ou inferior a 0,85, o que está abaixo da atividade de água para o desenvolvimento do Staphylococcus aureus e produção de enterotoxinas  ou o pH é igual ou inferior a 4,6, que é o pH  abaixo do desenvolvimento proteolítico do Clostridium botulinum e produção de toxinas.

aw 0,85 ou Menor Não Favorece o Desenvolvimento de Bactérias Patogênicas

O USDA e o Food Safety and Inspection Service (FSIS) também utilizam a atividade de água no  HACCP modelo 10 para carnes termicamente tratada e produtos avícolas estáveis em prateleira. A ciência declara e confirma que todas as bactérias patogênicas param seus desenvolvimento na atividade de água de 0,86. Assim, o modelo afirma que “os fabricantes não devem usar o relação proteína-umidade (MPR) como medida adequada de secagem para estabilidade ou segurança de vida de prateleira. A atividade de água do produto é que melhor correlaciona com a inibição do desenvolvimento de cada patógeno”. Assim, se você produzir carne desidratada em uma atividade de água de 0,85 ou menor, o produto não terá a proliferação de qualquer bactéria patogênica. Secando seu produto em uma atividade de água de 0,80 ou inferior não faz o produto ser mais seguro. O produto terá menos apelo do consumidor (porque será mais duro, menos mastigável) e porque a carne desidratada é vendida com base no peso, você estará jogando dinheiro fora.

Farmacêuticos e Cosméticos

Atualmente há regulamentos de atividade de água para produtos farmacêuticos, o método USP <1112> “Atributos Microbiológicos de Produtos Farmacêuticos não Estéreis – Determinação à Aplicação da Atividade de Água” que fornece orientação sobre a influência da atividade de água, pois refere-se à suscetibilidade da formulação do produto a contaminação de bactérias. O capítulo discute o potencial para melhorar a preservação do produto, mantendo a atividade de água baixa. A determinação da atividade de água em fármacos de formas não-estéreis auxiliam nas decisões como:

  • Otimização das formulações de produtos para melhorar a eficácia antimicrobiana de sistemas conservantes;
  • Redução da degradação de princípios ativos, dentro das formulações de produtos suscetíveis à hidrólise química;
  • Redução da suscetibilidade de formulações (especialmente líquidos, pomadas, loções e cremes) à contaminação microbiana;
  • Ferramenta para reduzir a frequência de teste e limite de triagem microbiana para microrganismos questionáveis para liberação do produto e testes de estabilidade.

Para saber mais sobre a aplicação da atividade de água na indústria farmacêutica e cosmética, visite essa página

Interação de pH e aw para controle de células vegetativas e esporos nos alimentos não tratados termicamente

Saiba mais, visite o nosso blog wateractivity.org (em inglês).

“Geralmente não é aceito que a atividade da água esteja mais intimamente relacionada às propriedades físicas, químicas e biológicas de alimentos e outros produtos naturais do que o teor total de umidade. Alterações específicas na cor, aroma, sabor, textura, estabilidade e aceitabilidade de produtos alimentícios crus e processados associam-se a intervalos relativamente baixos “.

—Rockland LB & Nishi SK, Food Tech 34:42-59 (1980)

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