Umidade, pH e Cinzas em Alimentos

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AULA 3: UMIDADE, PH E CINZAS
· MODULO 1: Aplicar os métodos de determinação do teor de umidade.
· Modulo 2: aplicar os diferentes métodos na quantificação das cinzas e pH.
Introdução: A análise química serve para identificar a composição do alimento, qualidade e tempo de prateleira e determinar a segurança para consumo. É muito importante nesse processo saber:
· O teor de umidade que está diretamente ligada a sua validade.
· O teor de cinzas que determina a quantidade de minerais, importante para qualidade nutricional. Farinhas por exemplo, quando possui muitos minerais é classificada como integral.
· O pH está relacionado ao teor de ácidos ou álcalis, esse equilíbrio será responsável pela manutenção da qualidade do alimento.
· MODULO 1: Aplicar os métodos de determinação do teor de umidade.
O teor de umidade pode interferir na vida de prateleira do produto, é importante identificar, pois será um fator relevante na determinação do melhor método de embalagem e estocagem. Alimentos com alto teor de umidade serão deteriorados mais rapidamente, mesmo embalados. A umidade favorece a contaminação microbiana e mais interações químicas devido à água presente, já que a água é o meio para essas reações. A umidade excessiva leva a um processo de escurecimento e maior absorção de oxigênio que oxidam o alimento expostos a luz.
Teor de umidade por alimento:
Formas da água no alimento
A água apresenta dois modos diferentes de interação com a matriz alimentar, os quais podem ser classificados como: água livre e água “presa”, ou ligada. A água presa no alimento está quimicamente ligada por reações químicas, pode ser classificada como água absorvida ou água de hidratação. Classificação geral da água no alimento:
· Água livre: Presente nos espaços intramoleculares e entre os poros do material. Nesse nível, a água mantém sua propriedade física e atua como agente dispersante para substâncias coloidais e como solventes. Favorece a proliferação de microrganismos (provocando alterações nos alimentos indesejáveis, levando a alterações na sua qualidade) e se torna um meio para reações químicas e bioquímicas (também provocando alterações nos alimentos).
· Água absorvida: Presente na superfície de macromoléculas, tais como amido, pectina, celulose e proteínas ligadas por forças de Van der Waals e pontes de hidrogênio.
· Água de hidratação ou Água ligada: Ligam-se as camadas do alimento, formando barreiras de hidratação. Não provoca proliferação de microorganismo e não promove interações bioquímicas e químicas. A água de hidratação ou ligada quimicamente com outras substâncias do alimento não é eliminada ou quantificada na maioria dos métodos de determinação de teor de umidade.
Dentre as três formas encontradas, a mais importante para determinar a vida de prateleira dos alimentos e a conservação é o teor de água livre. As analises são para identificar esse tipo de água.
Determinação de umidade no alimento
Para ter resultados adequados nas analises o ideal é que sejam obtidos dados de umidade precisos e exatos. Mas, a água no alimento oferece muitas interações com a matriz do alimento e causa algumas limitações das técnicas no processo de análise, assim essa necessidade de precisão não inteiramente atendida. Existe uma dificuldade da separação completa da água da matriz do alimento, risco de perda de substâncias voláteis que podem ser contabilizadas como teor de água perdido, levando a uma superestimação dos valores.
A natureza da amostra do alimento influencia os processos analíticos. Alimentos com alto teor de umidade, como frutas e vegetais, podem sofrer superaquecimento. Esse superaquecimento pode causar caramelização da amostra com alta concentração de açúcares solúveis. Além do tamanho da partícula, a quantidade da amostra pode influenciar na secagem, já que com 20g apresentam melhores resultados.
Uma amostra muito grande pode gerar resultados superestimados, por isso elas devem passar por uma homogeneização para aumentar a superfície de contato e permitir que a análise seja mais precisa. A fragmentação com pistilo na hora da analise é importante pra se ter um bom resultado em especial com grãos e sementes, folhas secas, que são alimentos com baixo teor de umidade e com muita água ligada.
A presença do sal também pode influenciar no processo de determinação da umidade. Isso porque o sal aumenta a interação entre as moléculas de água, ligando-as e prejudicando o processo de remoção da fração de água. 
Existem muitas variáveis para serem analisada, quantidade de água no alimento variam de um para outro, temperatura, condições do tempo em geral. Essas variáveis devem vir no relatório do resultado da analise do alimento.
Alguns métodos de determinação de umidade:
· Secagem em Estufa: Metodologia padrão para determinação da umidade no alimento. Descrita pelo Instituto Adolfo Lutz (2008), consiste na determinação da umidade do alimento baseada na perda por dessecação em estufa a 105°C. Essa é a primeira análise que deve ser realizada dentro da investigação rotineira de uma amostra de alimento. A metodologia é baseada na remoção da água por aquecimento, sendo o ar quente absorvido por uma camada muito fina do alimento e conduzido para o interior. Esse processo é lento devido ao alimento ter baixa condutividade térmica levando ate 18hs para finalizar a secagem. Se a água estiver muito presa a matriz alimentar por pontes de hidratação ou haja formação de crostas no processo a secagem não será completa.
A técnica, considerada simples, consiste em pesar de 2 a 10 gramas de amostra em cápsula de porcelana com peso conhecido e previamente seco em estufa. A estufa deve ser aquecida a 105°C. Após um período, deve-se retirar a amostra, resfriá-la em dessecador e pesá-la. Esse procedimento deve ser repetido até se atingir um peso constante da amostra, ou seja, quando se supõe que toda água livre foi evaporada. Ao fim, os valores obtidos podem ser aplicados na fórmula a seguir: 
Vantagem do processo por estufa: Por ser um método prático, é fácil de implantar na rotina de laboratório e necessita de pouca experiência do analista, além de precisar de equipamentos e materiais de baixo custo.
Desvantagem que podem comprometer o resultado: perda de componentes voláteis a 105C, e umidade relativa externa à estufa, material do cadinho utilizado, movimentação do ar dentro da estufa, tamanho da partícula da amostra, quantidade de amostras dentro da estufa, e homogeneidade da temperatura dentro da estufa, ou seja, regiões da estufa mais quentes do que outras, evaporação de substâncias voláteis que podem levar a uma superestimação do teor de umidade.
· Secagem por radiação infravermelha: O método de secagem por radiação infravermelha é considerado mais efetivo que a secagem em estufa, pois permite penetração do calor na amostra. Nesse método, utiliza-se uma lâmpada de radiação infravermelha de 250 a 500 Watts. A distância entre a lâmpada e a amostra é crítica e deve ser de aproximadamente 10cm para que não haja decomposição do alimento. O peso da amostra deve variar entre 2,5 e 10g. Apesar de eficiente, ainda é considerado um método lento.
· Secagem em micro-ondas: Embora seja novo e rápido, não é incluído como um método padrão. A energia do micro-ondas é uma radiação eletromagnética com frequência de até 30.000MHz. Dentro do micro-ondas, moléculas com cargas elétricas dipolares giram na tentativa de alinhar seus pólos. Com a rápida mudança do campo elétrico, a fricção resultante cria um calor que é transferido para a molécula vizinha. O micro-ondas podem aquecer o material mais rapidamente, de preferência áreas com maior umidade atingindo o ponto de ebulição da água. Consiste em um método simples e rápido. Já Existem microondas analíticas construídos já com balança em escala digital e microcomputadores para calcular a umidade, podendo secar de 2g a 30g de amostra em até 90 minutos. Esse método eauemta os compostos fenólicos do alimento, essencial para saúde.
· Secagem em dessecador: Apesar de o processo ser muito lento, podendo levar até meses,a secagem em dessecador, por utilizar baixa temperatura, permite a manutenção da integridade da amostra. Para acelerar o processo, pode ser utilizado o vácuo. O método se baseia no uso de compostos químicos, como sílica e ácido sulfúrico, que absorvem a água das amostras. 
· Métodos por destilação: Apesar de ser um método antigo e de demandar muito tempo, apresenta vantagens como a conservação da integridade da amostra frente a processos oxidativo, por não haver contato com oxigênio e por reduzir as chances de decomposição causadas pelas altas temperaturas na secagem indireta. Esse método pode ser utilizado para determinação de umidade em grãos e condimentos que possuem muita matéria volátil. Desvantagens é a baixa precisão como evaporação incompleta da água.
Método de Karl Fischer
Método químico comumente utilizado para alimentos que usa o reagente Karl Fischer, composto por iodo, dióxido de enxofre, piridina e um solvente, que pode ser metanol. Na análise, a amostra e o reagente devem ser protegidos contra a umidade atmosférica em todos os procedimentos, para que não haja interferência. A análise é baseada em uma titulação visual ou eletrométrica. Quando se trata de amostras coloridas, como sucos de frutas, por exemplo, é melhor optar pela leitura eletrométrica. Esse método não pode ser aplicado em materiais que tenham substâncias que possam reagir com o iodo, como o ácido ascórbico. O método de Karl Fischer deve ser aplicado em amostras que não dão bons resultados em métodos de secagem, tais como alimentos com baixo teor de umidade como, frutas e vegetais desidratados, balas, chocolates, café, óleo e gordura, produtos ricos em açúcares e mel.
Métodos físicos na analise da amostra: 
· Absorção da radiação infravermelha: Medida da absorção da radiação em comprimento de onda na região do infravermelho de 3 a 600µm (micrometros). A técnica é sensível o suficiente para obter quantidade de água na ordem de ppm (partes por milhão).
· Cromatografia gasosa: Técnica rápida aplicada em alimentos com alto ou baixo teor de umidade, já que atua de maneira específica e permite a detecção em larga escala. Pode ser utilizada em amostras de cereais, frutas, assim como em derivados desses alimentos. Porém, é necessário correlacioná-la ao método padrão de secagem, já que não se encaixa nos métodos estipulados como padrão.
· Ressonância magnética nuclear: Considerada uma análise muito rápida, dando resultados em até um minuto. Porém, ao final da análise, a amostra fica destruída.
· Índice de refração: Método simples, rápido e realizado em refratômetro. O método é baseado na medida do ângulo de refração da amostra que indica uma relação entre substâncias sólidas e água. É considerado um método de pouca precisão.
· Densidade: Método rápido, barato, simples, mas pouco preciso. Pode ser utilizado para amostras com alto teor de açúcar. A densidade pode ser medida utilizando densímetro ou vidrarias, como um picnômetro de precisão.
· Condutividade elétrica: Método baseado no princípio de que a quantidade de corrente elétrica que passa por um alimento será proporcional à quantidade de água no alimento. É considerado um método rápido, porém pouco preciso. A constante dielétrica de alimentos, como amido e proteína, é em torno de 10, enquanto a água tem uma constante dielétrica de 80. Portanto, uma pequena mudança na quantidade de água produz uma grande mudança na constante dielétrica da amostra. A técnica é muito utilizada em farinhas, porém pouco precisa.
Determinação da atividade de água dos alimentos
Diferentemente da umidade, a determinação da atividade de água está relacionada apenas à água que se encontra livre no alimento. A determinação da atividade de água (aw) representa a intensidade de ligação da água com os demais componentes do alimento, ou seja, o teor de água livre. Esse parâmetro indica a suscetibilidade de o alimento sofrer alterações, principalmente no que se refere àquelas causadas por microrganismos ou por reações químicas. Matematicamente, a atividade de água pode ser expressa de acordo com a equação abaixo.
Onde: P = pressão de vapor da amostra; Po = pressão de vapor da água pura (ambos na mesma temperatura). 
A partir dessa equação, pode-se afirmar que a maior atividade de água possível é de 1,0 que corresponde ao valor da água pura, pois não possui solutos em sua composição. Assim a aw dos alimentos será sempre inferior à da água pura, pois todos possuem solutos em sua composição.
Quanto maior for à atividade da água, maior será a perecibilidade do alimento. Isso porque haverá maior quantidade de água livre para o desenvolvimento dos microrganismos, promovendo o meio ideal para reações químicas. Os microrganismos que causam os maiores problemas na área de alimentos crescem e se multiplicam melhor em atividades de água superiores a 0,85. Por exemplo: Bactérias comuns precisam de atividade de água em torno de 0,91. Fungos e leveduras toleram uma menor atividade de água, conseguindo crescer em torno de 0,80 a 0,88aw. Microrganismos halofílicos com habilidade para crescer em alta concentração de sal toleram baixa atividade de água, em torno de 0,70.
· Modulo 2: aplicar os diferentes métodos na quantificação das cinzas e pH.
Cinzas, ou resíduo mineral fixo, consistem na fração de minerais do alimento. Considera-se mineral todo componente inorgânico que faça parte da composição do alimento. Dos 90 elementos químicos de ocorrência natural em nosso planeta, apenas 25 são considerados essenciais à vida. Precisam estar presentes na alimentação, pois, diferentemente dos açúcares, lipídios e proteínas, não podem ser sintetizados.
Os minerais podem receber as seguintes classificações:
· Macroelementos: Que possuem necessidade de ingestão entre 0,1 e 1,0g/dia (como cálcio, fósforo, magnésio e outros).
· Microelementos: Com necessidade de ingestão inferior a 0,1g/dia (como iodo, selênio, cobre e outros)
Os minerais presentes nos alimentos podem ser de ocorrência natural, provenientes de contaminação durante o cultivo, incorporados involuntariamente durante o processamento/armazenamento ou intencionalmente adicionados.
Cinzas, ou resíduo mineral, recebem esse nome por ser o resíduo inorgânico que permanece após a queima da matéria orgânica. A cinza obtida não apresenta necessariamente a mesma composição que a matéria mineral presente originalmente no alimento, uma vez que pode haver perda por volatilização ou alguma interação entre os constituintes da amostra.
Determinação química de cinzas
O método de determinação da fração de cinzas ou resíduo mineral fixo no alimento é baseado na temperatura de volatilização dos minerais, a qual se encontra muito acima da temperatura da água ou de outros elementos orgânicos do alimento. Por exemplo, a temperatura de volatilização do potássio e do sódio é em torno de 900°C. Desse modo, em temperaturas menores do que essa, não haverá qualquer alteração nesses elementos.
Na amostra de açúcar com alto teor de cinzas apresenta dificuldade de cristalização. Nas farinhas, o teor de cinzas está relacionado à perda de cor. Assim, quanto maior o teor de cinzas, mais escura será a farinha, quanto mais minerais, mais escuro será a farinha.
Cinza total
Geralmente, utiliza-se uma massa de aproximadamente 5g da amostra que deve ser pesada em um cadinho de platina ou porcelana, previamente incinerado e esfriado. O conjunto cadinho e amostra deve ser destinado para incineração em mufla, iniciando com temperaturas mais baixas e alcançando 500°C. A mufla é uma espécie de forno que alcança altas temperaturas. Quando a cinza estiver pronta e não restar nenhum resíduo preto de matéria orgânica, o conjunto é retirado da mufla, colocado em um dessecador para esfriar e para atingir a temperatura ambiente. Ao final, a diferença entre o peso do conjunto e o peso do cadinho vazio da quantidade de cinza da amostra deve ser calculado para a determinação do teor de cinzas.
O tempo e a temperatura utilizados dependem do tipo de amostra. A temperatura de incineração varia de acordo com a naturezada amostra.
· Manteiga: Incinerada em 500°C
· Frutas, carnes, açucares: Incineradas em 525°C
· Cereais, lácteos, peixes e condimentos: Incinerados em 550°C
· Grãos: Incinerados em 600°C
O método por incineração é utilizado para a determinação de cinzas totais, solúveis ou insolúveis em água. Apesar de ser simples, fácil de ser executada e considerada como padrão, deve-se considerar o uso de alta temperatura como uma desvantagem da análise devido à possibilidade de reações que possam comprometer a matriz. A determinação do teor de cinzas de uma amostra será conduzida utilizando triplicatas. Triplicatas foram levadas a muflas em aquecimento (550°C) por um período de 4 horas até obter cinzas brancas ou levemente cinzas para não haver resquício de matéria orgânica, apenas minerais.
Outra metodologia para determinação de cinzas é a obtenção de cinza úmida, muito utilizada para determinação de elementos traço. A técnica evita a perda de elementos no calor utilizado na mufla, além da possível liberação de metais tóxicos. Nessa técnica, é utilizado um agente oxidante, como, por exemplo, ácido sulfúrico, que auxilia na completa decomposição da matriz alimentar. Outro agente oxidante que pode ser utilizado é o ácido nítrico, mas, ele pode ser evaporado antes da oxidação terminar e gerar óxidos insolúveis.
O método de determinação de cinzas secas não é considerado de rotina, mas é uma etapa importante na determinação da composição individual dos minerais que forma a fração de cinzas no alimento.
Análise de elementos individuais
Traçar o perfil de elementos de uma amostra pode apresentar como objetivo a determinação daqueles que são indispensáveis para o metabolismo normal e que, geralmente, são essenciais em dietas. Alguns elementos não têm função conhecida, já outros podem prejudicar a saúde por serem provenientes do solo, de pulverização das plantas com agrotóxico ou de resíduos de processos industriais, como resíduos metálicos são ruins para saúde. 
A cinza obtida pelo método úmido pode ser utilizada para análise individual de cada elemento mineral nela contido. Os métodos utilizados na análise individualizada são principalmente absorção atômica, emissão de chama, colorimetria, turbidimetria e titulometria.
Os métodos instrumentais podem ser feitos em equipamentos sofisticados e caros e suas análises são sensíveis e gerando resultados precisos e exatos, detectam a presença de metais presentes na ordem de nanogramas e pictogramas. Para essa analise precisa, o material deve ser o mais puro e inerte possível, se destacam o quartzo, platina e polipropileno. A etapa de limpeza do cadinho por vapor tbm é muito importante.
O pH em amostras de alimentos
Por definição, pH é o potencial hidrogeniônico de uma solução. O pH consiste na determinação da concentração de íons de hidrogênio (H+) e serve para medir o grau de acidez, neutralidade ou alcalinidade da solução. 
Potencial hidrogeniônico, pH: O termo potencial hidrogeniônico foi introduzido em 1909 pelo bioquímico dinamarquês Soren Peter Lauritz Sorensen, para expressar concentrações muito pequenas de íons de hidrogênio em soluções aquosas, com o objetivo de facilitar seus trabalhos no controle de qualidade de cervejas.
O grau de acidez, neutralidade e alcalinidade de uma solução também pode ser medido de acordo com o pOH, que é o potencial hidroxiliônico, indicando concentrações de hidroxilas (OH+) na solução.
Segundo a Teoria da Dissociação Iônica de Arrhenius, uma substância é considerada ácida se, em meio aquoso, liberar como único cátion o H+. Quanto maior a quantidade desses íons no meio, maior será a acidez da solução.
Determinação do pH 
As principais metodologias empregadas nas medições de pH utilizam indicadores ou medidores de pH (eletrônicos ou manuais). Os indicadores são, em geral, ácidos fracos que são coloridos ou que mudam de cor quando sofrem uma reação ácido-base, ganhando ou perdendo íons (H+). Em geral, são reversíveis. A quantidade de Hidrogênio e hidroxila que vai determinar o pH da amostra.
Saiba mais como medir o pH 
· Uma forma visual de determinação de pH é o uso de papel de tornassol ou fita de pH. O papel de tornassol é um indicador que muda de cor na presença de ácidos e de bases, ficando azulado em presença de uma base e rosa quando diante de um ácido. Esse papel não informa os valores de pH, apenas da faixa. A fita de pH é um papel que possui uma escala de variação de cor para cada pH, dando uma indicação mais precisa da acidez ou basicidade da solução. 
· O pHmetro é um equipamento que possui uma membrana sensível à concentração de íons HO+. Ele possui um eletrodo que informa valores precisos de pH, precisa ser calibrado regularmente com soluções-tampão de pH conhecido. A medida do pH com pHmetro se baseia na determinação da atividade dos íons hidrogênio através do seu eletrodo. A troca dos elétrons presente no hidrogênio e nas hidroxilas.
· Para uma adequada aferição do pH, é importante que haja um termômetro para acompanhar a temperatura, uma vez que pode influenciar no pH da solução. Também é utilizado um agitador magnético com barra magnética para adequada homogeneização da solução.
Soluções tampões para calibrar o pHmetro: As soluções-tampão devem ser mantidas em geladeira em temperatura de 4°C, a fim de se evitar contaminação por fungos. Pelo menos uma hora antes do uso, devem ser removidas e deixadas em temperatura ambiente para equilíbrio da temperatura.
A determinação de acidez é um indicativo importante para avaliar o estado de conservação de um produto alimentício. Um processo de decomposição, seja por hidrólise, oxidação ou fermentação, altera a concentração dos íons de hidrogênio e, consequentemente, do pH do alimento.
A determinação de pH se faz necessária quando se objetiva investigar a qualidade de uma amostra de alimento. O controle do pH é importante, pois grande parte dos microrganismos que causam danos à saúde do indivíduo e que são encontrados nos alimentos tem maior prevalência em pH neutro. Em pH ácido ou alcalino, a multiplicação desses microrganismos é menor e a sobrevivência também. Desse modo, a variação de pH pode ser utilizada como um método de controle de qualidade em alimentos.
Considerações Finais:
A determinação química de alimentos é aplicada em diferentes áreas. No controle de qualidade, essa determinação é importante para estimar a vida de prateleira e a suscetibilidade à contaminação microbiana. Vimos que, na determinação do valor nutricional, é relevante conhecer a composição do alimento para calcular o valor nutricional e adequar os alimentos às recomendações nutricionais a fim de atender a uma alimentação equilibrada. Desse modo, conhecer as técnicas para determinar a composição do alimento é importante para a formação do profissional que atuará nessa área. A determinação de umidade e cinzas compreende as análises primárias para o conhecimento da matriz alimentar. 
Aprendemos também que o pH consiste em uma análise que irá contribuir para o conhecimento da estabilidade e a segurança do alimento. Juntas, as análises determinarão se o alimento está adequado para uso.