atividade de água

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Atividade de Água
Discente: Jacqueline Ferreira
Centro de Educação Superior do Oeste
Mestrado em Ciência e Tecnologia de Alimentos – PPGCTA 
Disciplina: Propriedades Físicas e Termofísicas de Alimentos
Introdução
Principal componente da maioria das células
~ 70% do peso de uma célula 
As moléculas celulares se organizam de acordo com a estrutura da água 
A maioria das reações Bioquímicas ocorrem na água 
A água participa ativamente das reações 
A água não é inerte!!!
Geometria
H2O
Molécula composta por 2 átomos de Hidrogênio e 1 de Oxigênio
Ligação covalente
Dipolar 
Forma ligações de hidrogênio
A forma da água foi descoberta em 1956
Ligações de hidrogênio 
Ligações de hidrogênio são relativamente fracas: 
Energia de dissociação: 23 kJ/mol
Ligações covalentes:
O – H: 470 kJ/mol
C – H: 348 kJ/mol
O arranjo aproximadamente tetraédrico dos orbitais ao redor do átomo de oxigênio permite que cada molécula de água forme ligações de hidrogênio com até quatro moléculas de água vizinhas.
Forças intermoleculares que atuam 
O formato tetraédrico da água dá a ela a característica de um dipolo que em temperatura ambiente está em estado líquido. 
eletroímã
Dipolo: carga positiva e negativa
flickering clusters
Aplicada aos grupos de moléculas de água de vida curta interligadas por ligações de hidrogênio na água líquida
Gelo
Cristalina
Formas bem definidas 
Superfícies e arestas 
Ligações de hidrogênio no gelo
Floco de neve
Estrutura fractal
Estrutura simétrica hexagonal
Ângulo de ligação de 109°
Água nos alimentos
Solvente
Transferência de calor
Conservação
Promotora de mudanças químicas (ex: ionização de sais)
Reações de hidrólise
Importante constituinte de todos os alimentos
Vida de prateleira
Textura
Disponibilidade de macro e micro nutrientes.
Formas da água nos alimentos
Água livre
Maior parte da água presente nos alimentos
Retida dentro das células
Fracamente ligada a outras moléculas
Pode ser removida por pressão
Facilmente removida por secagem
Água Ligada
É parte da estrutura molecular
Mobilidade reduzida
Não tem as mesmas propriedades que a água livre
Fortemente ligada a polissacarídeos (OH-), proteínas (NH3 e COO-) e até lipídeos.
Água livre
Se encontra nos espaços intergranulares e no interior dos poros do alimento
Mantida por forças de absorção de pouca intensidade
grande mobilidade
Não estão ligadas a nenhum componente do alimento
Usadas para o crescimento microbiano e também estão disponíveis para reações químicas
Propriedades físico-químicas muito semelhantes às da água pura (ponto de ebulição, ponto de fusão e densidade)
Pomente essa água se congela, ficando assim indisponível para reações
Água ligada
Está quimicamente ligada às moléculas da matriz (proteínas, carboidratos e minerais)
Não está disponível para o crescimento microbiano e nem para reações químicas
Ligações são muito mais fortes
Estrutura fique mais densa
Alteração em suas propriedades físico-químicas(aumento do ponto de ebulição e diminuição do ponto de fusão)
Só podem ser removidas se o produto for exposto a altas temperaturas. Esta água não pode ser congelada e assim não altera a estrutura do produto
Características da água ligada
Não congela a temperatura de 0°C, usualmente a -20°C
Indisponível para solvente
A quantidade de água não congelável varia de um alimento para outro.
 10% da água do tecido animal não vai congelar.
Menos de 6% da água do tecido vegetal não vai congelar.
Atividade de água (Aw)
A água livre é muito mais volátil do que a água ligada, por isso a água que evapora para atingir um ambiente de equilíbrio em uma câmara fechada a temperatura ambiente, é apenas a água livre. 
Assim, medindo a pressão de vapor da água do ambiente em equilíbrio é possível avaliar a quantidade de água livre no alimento. Dividindo esse valor pelo valor da pressão de vapor do ambiente de equilíbrio da água pura, é encontrado o valor de Aw na forma: 
 = 
Onde: 
 – atividade de água
 –   pressão de vapor de água de um alimento no espaço vazio de um ambiente fechado a uma dada temperatura 
 pressão de vapor da água pura à mesma temperatura.
: f(P, T, X1)
: f(P, T)
≈ 0°C
≈ 36 °C
≈ 100 °C
No caso de alimentos congelados 
-18°C
A uma temperatura constante no ambiente fechado, existe uma relação entre Aw do produto e a umidade relativa do ar em equilíbrio:
 = 
Onde:
 – atividade de água
ERH – umidade relativa de equilíbrio
A atividade de água de um produto é considerada a umidade relativa do ar ao redor do alimento quando não ganha nem perde umidade e está em equilíbrio com o ambiente.
A avaliação da ocorre numa escala de 0 a 1, sendo que 1 representa a água pura.
Umidade
O teor de umidade é a medida da quantidade total de água contida num alimento (água total), e é geralmente expresso como uma porcentagem (%) do peso total.
Após um processo padronizado de secagem do alimento, podemos definir:
Umidade (%) = 
Onde:
Pi = Peso inicial da amostra
Pf = Peso final da amostra
Teor de umidade
Métodos de determinação de umidade 
• Físicos : secagem / liofilização; refratometria; ponto de congelamento; espectroscopia no IV; métodos elétricos 
• Químicos: Destilação (solventes orgânicos; Karl Fischer)
A umidade não fornece indicações de como está distribuída a água.
Umidade em Base úmida:
%U= x 100
Umidade em base seca:
%U= x 100
	Aw pode ser reduzida pelo ↑ da [ ] de soluto na fase aquosa do alimento, seja pela remoção da água e/ou adição de sólidos.
	A temperatura influencia: congelamento ↓ a Aw.
Fatores que influenciam a atividade de água
Importante: Não necessariamente um alimento com ↑umidade terá também uma ↑Aw. 
Classificação dos alimentos em função da atividade de água
Os alimentos são classificados em três grupos conforme a função da atividade de água:
Alimentos com baixa atividade (Aw até 0,60).
Alimentos com atividade intermediária (Aw entre 0,60 a 0,90).
Com alta atividade (Aw maior que 0,90). 
0,2
0,7
0,99
Importantes aplicações da medida de Aw para a indústria de alimentos
Escolha do processo a que o alimento será submetido
Seleção de ingredientes usados no desenvolvimento de um produto
Seleção da melhor embalagem para o produto
Efeitos da atividade de água em um alimento estão relacionados além das reações químicas, enzimáticas, crescimento de Mo, alteração na aparência e textura.
Ex: amolecimento de biscoito.
A ↓ da Aw de um alimento aumenta a sua estabilidade, por isso que a secagem e o congelamento são os métodos de conservação mais utilizados.
Entretanto, valores muito baixos de de Aw podem predispor o alimento a racidez oxidativa, caso este alimento seja suscetível.
Aw x Crescimento microbiano
Crescimento de micro-organismos é diretamente dependente da disponibilidade de água livre
O valor de Aw de um alimento traz informações se ele é susceptível ao crescimento e desenvolvimento de algum tipo de bactéria, fungo ou levedura.
OU será necessário garantir um ambiente com Aw adequada para desenvolvimento
Ex: cerveja e queijo
Mo indesejados 
Mo desejados 
Mapa de estabilidade
Velocidade relativa de diferentes reações de acordo com a atividade de água do alimento
Valores mínimos de atividade de água (aw) para o crescimento e produção de toxinas de importância alimentar.
Técnicas de determinação de AW
Método tradicional ou estático
2 a 3 g de amostra são pesados e colocados em dissecador com ERH conhecida, e temperatura controlada (dentro de uma estufa).
A amostra é pesada regularmente até que o peso fique constante.
Grande desvantagens!!!
Método do ponto de congelamento
Mudança no ponto de congelamento pela adição de soluto
Método manométrico
Uma amostra de alimento é colocada em uma câmara fechada conectada a um manômetro
Ponto de orvalho
Apenas a água livre do alimento se evapora, ela é proporcional à quantidade de moléculas de água no espaço livre da câmara fechada. O interior da câmara é resfriado e a temperatura do momentoem que as moléculas de água se condensam sobre um espelho é chamado de ponto de orvalho.
Osmômetro
Sistema do Ponto de orvalho - Câmara fechada de um equipamento de atividade de água de ponto de orvalho. 
1 - espelho, 2 - sensor ótico, 3 - termômetro, 4 - ventilador, 5 – amostra
Métodos higrométricos
Método indireto
Fundamenta-se na capacidade que a lamina higroscópica de cloreto de lítio tem de alterar sua resistência elétrica ou condutância pela mudança de umidade relativa, no espaço - amostra.
Essa mudança é medida em termos de corrente elétrica, que atravessa o sensor, conectado ao potenciômetro, com uma escala calibrada de função da Aw.
Higrômetro eletrônico 
Equipamentos comerciais
AquaLab VSA (Vapor Sorption Analyser) da METER Group
O equipamento leva o ar umidificado sobre as amostras e mede as pequenas alterações nos valores de atividade de água e do peso da amostra simultaneamente. Em seguida, cria curvas de isoterma de sorção com centenas de pontos, em vez de apenas cinco ou seis pontos.
Isotermas de sorção
As isotermas de sorção de umidade são curvas que relacionam a umidade de um alimento com a sua atividade de água.
Usadas para predizer o ganho ou perda de umidade na estocagem e armazenamento de materias
Produtos tendem a entrar em equilíbrio com a umidade relativa do ambiente, até da embalagem(microambiente).
Tempo, velocidade e força de ligação única para cada alimento.
Isotermas de sorção
Relação entre a atividade de água (Aw) e a umidade do produto em uma determinada temperatura
Modelos matemáticos de isotermas de sorção comumente aplicados a alimentos. 
Em que: Xeq = umidade no equilíbrio; aw = atividade de água; Xm= umidade correspondente à monocamada; K, A, B, C, K1, K2, K3, K4, K5, n1, n2 são constantes (parâmetros dos modelos). 
Melhor se ajusta às isotermas de produtos alimentícios
Bons resultados para isotermas de amiláceos, carnes e vegetais
Equação de BET:
Tipos de isotermas
Isoterma Langmuir
Obtida pela adsorção monomolecular de gás por sólidos porosos com um volume infinito de vazio.
Detém grande quantidade de água  com baixa atividade de água.
Isoterma Sigmoid
Obtida para produtos solúveis e mostra a tendência assintótica conforme a atividade de água aumenta.
O formato é causado pelo efeito de aditivos.
Aw de 0,2 – 0,4:
Acúmulo de multi camadas de água
Enchimento dos poros pequenos
Isoterma tipo III - formato “J”
Representa a isoterma de material cristalino como açúcares e sais.
Ganho de umidade é muito baixa até o ponto onde os cristais começam a se dissolverm na água absorvida na superfície do cristal (ponto de deliquescência)
Isoterma Tipo IV
Descreve a adsorção por um sólido hidrofílico que se incha até a máxima hidratação dos seus sítios.
As duas isotermas mais comumente encontradas em produtos alimentícios são Tipo II e Tipo IV
Tipo V – Isoterma de Adsorção de multi-camadas BET
Gases não polares em superfícies não polares.
Ex: adsorção e degasagem de dióxido de carbono de café fresco e torrado.
Exemplo:
Isotermas de sorção de umidade de grãos de soja obtidas nas temperaturas de 10, 25 e 40°C (símbolos), comparadas às correspondentes isotermas preditas pelo modelo de GAB (linhas).
Como podem ser observadas nesta figura, as isotermas obtidas para os grãos de soja são do tipo II (formato sigmóide)
Santos et al., 2014
Modelo de GAB:
Aplicações e exemplos
Artigo 1 - Estudos de viabilidade e vitalidade contra o congelamento da levedura probiótica Saccharomyces boulardii: efeito do pré-condicionamento fisiológico.
Introdução:
Probióticos são culturas microbianas vivas e ativas que resultam benéfico para a saúde humana quando ingerido em concentrações adequadas (aproximadamente 10^9 - 10^10 microrganismos/dia
Objetivo:
Foi avaliar a produção de biomassade S. boulardii e a manutenção de suas propriedades probióticas após ser submetido a um processo de congelamento, bem como a influência do pré-condicionamento fisiológico na qualidade do produto obtido.
Material e métodos:
Cepa de S. boulardii
Atividade de água (aw):
 O crescimento de S. boulardii foi determinado em meio ELP (aw = 0,99) e no mesmo meio com Aw reduzida (entre 0,99 e 0,87) foi adição de NaCl, glicose, e sorbitol nas proporções calculadas de acordo com as isotermas obtidas na bibliografia.
Depois os valores de Aw em um equipamento Aqualab Série 3 
Conclusão:
Processos de congelamento ou redução de Aw afetaram a vitalidade do fermento, embora isso nem sempre resulte em uma drástica diminuição da viabilidade.
Artigo 2 - Efeito da atividade de água na inativação térmica cinética de Salmonella em leite em pó
Introdução:
A salmonella pode estar presente em diversos alimentos de origem animal
Salmonella no leite em pó causou vários surtos de origem alimentar
Determinação de condições de processamento de pasteurização adequadas requerem um compreensão da cinética de inativação térmica.
Leite em pó são considerados de baixa atividade de água ( Aw ) alimentos, com valores típicos de a w <0,70, em que Salmnella não consegue se multiplicar.
 O problema:
Embora o leite em pó não suporte o crescimento de Salmonella, sua maior sobrevivência é observada com declínio Aw.
Além disso, a Salmonella pode possuir maior resistência térmica com diminuição de Aw.
Material
leite em pó integral (29,4 % lip) e leite em pó desnatado (0,62% lip) pasteurizado.
Cepas de Salmonella
Outras análises
cinzas 
gordura 
proteína
Isoterma de sorção de umidade
AquaLab Vapor Sorp-Analyzer (Meter Group Inc.) a 20 ° C. 
Aproximadamente 1 g de amostra foi espalhado uniformemente no copo de amostra para medição de absorção. 
Desenvolvimento da isoterma de sorção, o teor de umidade nos pontos equilibrados foram determinados em triplicado em uma AW de níveis de 0,10 a 0,90 com intervalos de 0,05.
Conclusão
A resistência térmica da Salmonella demostrou aumentar significativamente com a diminuição de Aw. No entanto, diferentes teores de gordura nos 2 tipos de leite não afetaram significativamente a resistência térmica de Salmonella
Artigo 3 - Estudo de fibras alimentares em frutas e hortaliças para uso em nutrição enteral ou oral
Introdução:
Dietas enterais com alimentos convencionais são usadas em nutrição domiciliar para fornecer macronutrientes, obter dietas individualizadas e de menor custo.
Objetivo
Foi estudar frutas e hortaliças (alface, berinjela, cenoura, chicória, goiaba e tamarindo) como fontes de fibras alimentares solúveis e insolúveis para serem usadas em nutrição enteral ou suplemento nutricional oral
Material:
Alimentos experimentais (frescos) + Alimentos da formulação enteral domiciliar.
Métodos:
Homogeneizou-se as diversas formulações e elevou a um volume de 2L. 
Análises realizadas
Sensorial
Teste de gotejamento
pH
Composição centessimal
Determinação da atividade de água 
Foi feitas por leitura direta em equipamento AquaLab CX-2 (Decagon Devices Inc., USA, 1996), acoplado a um banho termostático para manter constante a temperatura durante as medições. Logo após o preparo, as amostras das dietas (3 a 5 mL) foram colhidas e colocadas em um porta-amostra incluído no circuito de água circulante para ajustar a temperatura a 25 °C e, posteriormente, fazer a leitura da Aw.
Resultados:
Tabela - Atividade de água das preparações com o alface, berinjela, cenoura, chicória, goiaba e tamarindo. Medições realizadas em temperatura de 25 °C em triplicata
alimentos são susceptíveis à contaminação microbiana. 
O pH e a atividade de água são favoráveis ao desenvolvimento de microorganismos,
Dietas devem ser consumidas imediatamente após o preparo.
Conclusão:
Técnicas adequadas de higiene durante o trabalho dos manipuladores, a desinfecção de utensílios e o tratamento térmico dos alimentos são essenciais para a obtenção de um produto mais seguro.
Referências
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INSTITUTO ADOLFO LUTZ. Normas Analíticas do instituto Adolfo Lutz. v. 1: Métodos químicos e físicos para análise de alimentos, IV. ed. São Paulo: IMESP, p.98-99, 2005.
RAHMAN, S. Handbook of Food Preservation. Nova York: CRC Press, 2007.
WEI, X., LAU, SK, CHAVES, BD, DANAO, M.-GC, AGARWAL, S., & SUBBIAH, J.  Efeito da atividade de água na cinética de inativação térmica de Salmonella em leite em pó. Journal of Dairy Science.  2020. doi: 10.3168 / jds.2020-18298.
Araújo, E. M.; Menezes, H. C. Estudo de fibras alimentares em frutas e hortaliças para uso em nutrição enteral ou oral. Ciênc. Tecnol. Aliment. vol.30 no.1 Campinas jan./mar. 2010  Epub 12-Fev.2010.
HARDMAN, T. M. Water and food quality. 1st ed. Londres: Elsevier, 1987.
GREENSPAN, L. Humidity Fixed Points of Binary Saturated Aqueous Solutions. Journal of Research of the National Bureau of Standards-A.Physics and Chemistry, v. 81 A, n. 1, Jan-Fev, 1977.
SANTOS, C. D.; MENEGOLLA, H. B.; ENGLERT, A. H.; CASSINI, A. S. DETERMINAÇÃO DE ISOTERMAS DE SORÇÃO DE UMIDADE PARA GRÃOS DE SOJA. Congresso Brasileiro de Engenharia Química. Florianópolis. 2014 
Obrigada!!!