Universidade Federal da Paraíba

CCEN- Centro de Ciências Exatas e da

Departamento de Química

Análises Bromatológicas

Atividade Aquosa

João Pessoa,

Universidade Federal da Paraíba

Centro de Ciências Exatas e da Natureza

Departamento de Química

Análises Bromatológicas

Atividade Aquosa

Philipe Diego Araújo

João Pessoa, 15 de Abril de 2013

Universidade Federal da Paraíba

Centro de Ciências Exatas e da

Philipe Diego Araújo

1. ÁGUA NOS ALIMENTOS

A conservação de alimentos utiliza diferentes técnicas para impedir que os alimentos

se deteriorem devido às alterações provocadas por microrganismos, reações químicas

enzimáticas e não enzimáticas.

Tanto as reações químicas quanto a capacidade de sobrevivência ou de multiplicação

dos microrganismos presentes nos alimentos depende de características próprias desses

alimentos, denominadas fatores intrínsecos ou das condições em que o alimento se encontra,

caracterizadas como fatores extrínsecos.

A água é um nutriente absolutamente essencial, participando com 60 a 65 % do corpo

humano e da maioria dos animais. Dentre as várias funções da água no organismo, cita-se:

A. O solvente universal, indispensável aos processos metabólicos;

B. Manutenção da temperatura corporal;

C. Manutenção da pressão osmótica dos fluídos e do volume das células;

D. Participação como reagente de um grande número de reações metabólicas.

A água é considerada o adulterante universal dos alimentos, por isso sua determinação

é de grande importância. Usualmente a quantidade de água nos alimentos é expressa pelo

valor da determinação da água total contida no alimento. Este valor não fornece informações

de como está distribuída a água neste alimento nem permite saber se toda a água está ligada

do mesmo modo ao alimento. Muitas vezes o teor de água determinado permite que ocorra o

desenvolvimento de algum microorganismo, porém isso não ocorre, porque muita desta água

não está disponível ao microorganismo. Há também o fato de uma parte da água não ser

congelável. Isso nos leva a crer que existem moléculas de água com propriedades e

distribuição diferentes no mesmo alimento. Pode-se concluir que há dois tipos de água nos

alimentos: ÁGUA LIVRE, que é aquela fracamente ligada ao substrato, funcionando como

solvente, permitindo o crescimento dos microorganismos e reações químicas e que é

eliminada com facilidade e a ÁGUA COMBINADA, fortemente ligada ao substrato, mais difícil

de ser eliminada e que não é utilizada como solvente e não permite o desenvolvimento de

microorganismos e retarda as reações químicas.

ATIVIDADE DE ÁGUA (aw) - é possível estabelecer uma relação entre o teor de água livre nos

alimentos e sua conservação. O teor de água livre é expresso como atividade de água que é

dada pela relação entre a pressão de vapor de água em equilíbrio no alimento e a pressão de

vapor da água pura na mesma temperatura . A medida desse valor baseia-se no fato de que a

pressão P do vapor de água sobre um alimento, após atingir o equilíbrio a uma temperatura T,

corresponde a Umidade Relativa de Equilíbrio (URE) do alimento. A atividade da água será

então igual a URE e é expressa por URE/100.

ATIVIDADE DE ÁGUA E CONSERVAÇÃO DOS ALIMENTOS - O valor máximo da aw é 1 na água

pura. Nos alimentos ricos em água, com aw > 0,90, podem formar soluções diluídas que

servirão de substrato para os microorganismos poderem se desenvolver. Nesta situação as

reações químicas podem ter sua velocidade diminuída em função da baixa concentração dos

reagentes.

Quando a aw baixar para o,40 - 0,80, haverá possibilidade de reações químicas e

enzimáticas a velocidades rápidas, pelo aumento da concentração dos reagentes.

Com aw inferior a 0,30 estará atingindo a zona de adsorção primária, onde a água está

fortemente ligada ao alimento.

De acordo com a atividade de água no alimento, ocorre o desenvolvimento de certos

tipos de microorganismos, como:

Microorganismo aw

Bactérias 0,90 Leveduras 0,88 Fungos (mofos) 0,80 Microorganismos Osmofilicos 0,62

ISOTERMAS DE SORÇÃO DE ÁGUA - É uma curva representativa do teor de água em função da

atividade de água no alimento, durante a secagem (desorção) e hidratação (absorção).

Como é uma curva sigmóide, temos três fases distintas:

Fase 1 - Água que constitui a camada primária, unida a grupos ionizantes ou fortemente

polares;

Fase 2 - A água atua como solvente;

Fase 3 - Água contida em capilares onde pode formar soluções, água livre, retida

mecanicamente.

A umidade de um alimento está relacionada com sua estabilidade e qualidade e

composição, e pode afetar os seguintes itens: estocagem: Alimentos estocados com alta

umidade irão se deteriorar mais rapidamente que os que possuem baixa umidade. Por

exemplo, grãos com umidade excessiva estão sujeitos a rápida deterioração devido ao

crescimento de fungos que desenvolvem toxinas como a aflatoxina.

Embalagem: Alguns tipos de deterioração podem ocorre am determinadas embalagens

se o alimento apresenta uma umidade excessiva. Por exemplo, a velocidade do escurecimento

(browning) em vegetais e frutas desidratadas, ou a absorção de oxigênio (oxidação) em ovo em

pó, podem aumentar com o aumento da umidade, em embalagens permeáveis à luz e ao

oxigênio.

Processamento: a quantidade de água é importante no processamento de vários

produtos, como, por exemplo, a umidade do trigo para fabricação de pão e produtos de

padarias

O conteúdo de umidade varia muito nos alimentos:

ALIMENTOS % UMIDADE

Produtos lácteos fluidos 87 – 91 Leite em pó 4 Queijos 40 – 75

Manteiga 15 Creme de leite 60 – 70 Sorvetes 65 Margarina e maionese 15 Frutas 65 – 95 Hortaliças 85 Carnes e peixes 50 – 70 Cereais <10 Macarrão 9 Pães e outros produtos de padaria 35 - 45

2. METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO DE UMIDADE EM ALIMENTOS

A. METODOS POR SECAGEM

• Secagem em estufas

É o método mais utilizado em alimentos e está baseado na remoção da água por

aquecimento, onde o ar quente é absorvido por uma camada muito fina do alimento e é então

conduzido para o interior por condução. Como a condutividade térmica dos alimentos é

geralmente baixa, costuma levar muito tempo para o calor atingir as porções mais internas do

alimento. Por isso, este método costuma levar muitas horas, 6 a 18 horas a 100 a 102 ºC, ou

até peso constante.

A evaporação por um tempo determinado pode resultar numa remoção incompleta da

água, se ela estiver fortemente presa por forças de hidratação, ou se o seu movimento for

impedido por baixa difusividade ou formação de crosta na superfície. Por outro lado, na

evaporação até peso constante, pode ocorrer uma superestimação da umidade por perda de

substâncias voláteis ou por reações de decomposição. Além disso, o método de secagem em

estufa possui uma série de limitações de uso. E simples porque necessita apenas de uma

estufa e cadinhos para colocar as amostras. Porém, a exatidão do método é influenciada por

vários fatores:

� Temperatura de secagem

� Umidade relativa e movimentação do ar dentro de estufa

� Vácuo na estufa;

� Tamanho das partículas e espessura da amostra;

� Construção da estufa;

� Número e posição das amostras na estufa;

� Formação de crosta seca na superfície da amostra

� Material e tipo de cadinhos;

� Pesagem da amostra quente.

A temperatura de secagem deve ser um pouco acima de 100 ºC, para evaporar a água

à pressão atmosférica na estufa simples. Porém, na estufa a vácuo, esta temperatura pode ser

bastante reduzida (~70 ºC), preservando a amostra e evitando a formação de crostas na

superfície, que dificultaria a evaporação da água.

As partículas dos alimentos devem ser moídas com espessuras menores possíveis para

facilitar a evaporação da água.

Estudos demonstraram que a velocidade de evaporação foi maior em cadinhos de

alumínio do que de vidro e porcelana, maior em cadinhos rasos do que fundo e maior em

estufas com ventilação forçada do que em estufas simples.

A pesagem da amostra deve ser feita somente após esfriá-la completamente no

dessecador, pois a pesagem a quente levaria a um resultado falso.

Estufas - simples; simples com ventilador (mais eficiente); a vácuo (para amostras que

decompõem na temperatura da estufa simples).

Cápsulas ou cadinhos - porcelana; alumínio; vidro.

� PROCEDIMENTO

Pesar uma quantidade definida de amostra em um cadinho previamente seco e tarado.

O transporte do cadinho deve ser sempre com pinça ou um papel para não passar a umidade

da mão para o cadinho. Colocar o cadinho na estufa na temperatura conveniente e deixar até

que toda água seja evaporada, isto é, até peso constante. Retirar o cadinho da estufa Com

uma pinça e colocar num dessecador para esfriar. Pesar depois de frio, o conjunto cadinho

mais amostra seca. Descontar o peso do cadinho vazio para obter o peso da amostra seca. O

peso da água evaporada vai ser igual à diferença entre o peso da amostra úmida co peso da

amostra seca. Os sólidos totais serão a diferença entre o peso total da amostra e o peso de

água.

Na determinação de umidade por secagem em estufa, o resíduo seco pode ser

utilizado para determinação de gordura e fibra bruta.

� PREPARO DA AMOSTRA

• Amostras líquidas: Devem ser evaporadas em banho-maria até a consistência pastosa para então serem colocadas na estufa.

• Amostras açucaradas: Formam uma crosta dura na superfície, que impede a saída da água do interior. Neste caso, costuma-se adicionar areia, asbesto, ou pedra pome em pó misturada na amostra, para aumentar a superfície de evaporação.

Peso da amostra: Varia entre 2 a 5 g dependendo da quantidade de água do produto, e ela deve ser bem espalhada no cadinho formando uma camada fina.

� CONDIÇÕES DE SECAGEM

• Temperatura: varia entre 70 a 155 ºc, dependendo se for utilizado vácuo ou pressão atmosférica;

• Tempo: depende da quantidade de água do produto. Mas leva em média de 6 a 7 Horas.Costuma-se deixar até peso constante.

� LIMITAÇÕES DO MÉTODO

A. Produtos com alto conteúdo de açúcar e carnes com alto teor de gordura devem ser secos em estufa a vácuo numa temperatura não excedendo a 70 ºc. Alguns açúcares, como a levulose, decompõem ao redor de 70ºc. Liberando água.

B. Não serve para amostras com alto teor de substâncias voláteis, como condimentos.Vai ocorrer volatilização destas substâncias, com perda de peso na amostra, que será computada como perda de água.

C. Pode haver variação de até 3ºc nas diferentes partes da estufa.

D. 4.Alguns produtos são muito higroscópicos e devem ser tampados no dessecador ao saírem da estufa e pesados rapidamente após chegarem à temperatura ambiente.

E. A reação de caramelização em açúcares liberando água, durante a secagem, é acelerada a altas temperaturas. Portanto produtos nestas condições devem ser secados cm estufa a vácuo a 60 ºc.

F. Alimentos contendo açúcares redutores e proteínas podem sofrer escurecimento por reação de Maillard, com formação de compostos voláteis como CO2 e compostos carbonílicos, e produtos intermediários coma furaldeído e hidroximetilfurfural. Estes compostos voláteis serão medidos erradamente como água evaporada na estufa;

G. Estufas com exaustão forçada são utilizadas pala acelerar a secagem a peso constante e são

H. Recomendadas para queijos, produtos marinhos e carnes.

• Secagem por radiação infravermelha

Este outro tipo de secagem é mais efetivo e envolve penetração do calor dentro da amostra, o que encurta o tempo de secagem cm até 1/3 do total. O método consiste cio urna Lâmpada de radiação infravermelha com 250 a 500 watts, cujo filamento desenvolve uma temperatura entre 2.000 a 2.500 ºK (700 ºC). A distância entre a lâmpada e a amostra é crítica e deve ser cerca de 10 cm para não haver decomposição da amostra. A espessura da amostra deve ficar entre 10 e 15 mm. O tempo de secagem varia com a amostra (20 minutos para produtos cárneos, 10 minutos para grãos, etc,). O peso da amostra deve variar entre 2,5 a 10 g dependendo do conteúdo da água. Equipamentos por secagem infravermelha possuem urna balança que dá a leitura direta do conteúdo de umidade por diferença de peso. Possui a desvantagem de ser também um método lento por poder secar urna amostra de cada vez. E, como conseqüência, a repetibilidade pode não ser muito boa, pois pode haver variação de energia elétrica durante as medidas.

• Secagem em fornos de microondas

É um método novo e muito rápido, porem não é um método padrão. A energia de

microondas é urna radiação eletromagnética com freqüência variando entre 3 Mhz. e 30.000

Ghz. Os dois maiores mecanismos que ocorrem no aquecimento por microondas de um

material dielétrico são rotação dipolar e polarização iônica. Quando urna amostra úmida é

exposta à radiação de microondas, moléculas com cargas elétricas dipolares, tal como a da

água, giram na tentativa de alinhar seus dipolos com a rápida mudança do campo elétrico. A

fricção resultante cria calor, que é transmitido para as moléculas vizinhas. Portanto

microondas podem aquecer o material mais rapidamente e vão aquecer seletivamente as

áreas com maior umidade, atingindo o ponto de ebulição da água. Deste modo, o calor é

distribuído uniformemente tanto na superfície corno internamente do alimento, facilitando a

evaporação da água e evitando a formação de crosta na superfície, como é característico na

secagem em estufa. A amostra é misturada com cloreto de sódio e óxido de ferro, onde o

primeiro evita que a amostra seja espirrada fora do cadinho e o segundo absorve fortemente

radiação de microondas acelerando a secagem.

É um método bastante simples e rápido. Nos Estados Unidos já existem fomos de

microondas analíticos, construídos com balanças, escala digital e microcomputadores para

calcular a umidade. Eles podem secar de 2 a 30 g de amostra com uma energia que varia de

175 a 1.400 W por um tempo entre 2,5 e 90 minutos. A umidade da amostra pode variar entre

10 e 90%. Para evitar os mesmos problemas de superaquecimento, que ocorrem na estufa

comum, podemos fazer um monitoramento e calibração da energia usada no microondas. A

comparação deste método com o método padrão por secagem em estufa apresentou uma

diferença média de 1,15%.

A grande vantagem da secagem por microondas é que o poder da energia radiante e o

tempo de secagem podem ser calibrados para os diferentes tipos e quantidades de amostras,

enquanto isto não é possível no método por secagem em estufa.

• Secagem em dissecadores

Os dissecadores são utilizados com vácuo e compostos químicos absorventes de

água.Porém, à temperatura ambiente, a secagem é muito lenta e em alguns casos pode levar

até meses. O uso de vácuo e temperatura ao redor de 50 ºC é bem mais satisfatório.

B. METODOS POR DESTILAÇÃO

É um método que já existe a mais de 70 anos, mas que não é muito utilizado,

principalmente como método de rotina, por sua grande demora. Porém ele tem as vantagens

de proteger a amostra contra oxidação pelo ar e diminuir as chances de decomposição

causada pelas altas temperaturas na secagem direta. E mais utilizado para grãos e

condimentos que possuem muita matéria volátil, que é recolhida separada da água no

solvente orgânico.

� PROCEDIMENTO

Pesar uma quantidade de amostra que dê uma quantidade de água entre 2 e 5 mL.

Colocar num frasco, com o solvente de ponto de ebulição maior que da água, cobrindo a

amostra. Ligar o frasco no condensador e aquecer.

A destilação chega ao um quando aparecer, no frasco graduado de coleta, os dois

níveis, ode água e o de solvente, que começa aparecer acima da água. Deslocar a água que fica

retida nas paredes de vidro com um fio de cobre em espiral, lavando o fio com tolueno dentro

do frasco coletor. Destilar por mais 5 minutos e deixar esfriar para tomar a leitura do volume

de água no frasco coletor que é graduado em mL, com uma precisão de até 0,01 mL.

� DIFICULDADES DO MÉTODO

1. Precisão relativamente baixa do frasco coletor.

2. Dificuldades na leitura do menisco.

3. Aderência de gotas de água no vidro.

4. Solubilidade da água no solvente de destilação

5. Evaporação incompleta da água.

6. Destilação de produtos solúveis em água (com pontos de ebulição menor que da água).

� OBSERVAÇÕES DO MÉTODO

1. Solventes recomendados: tolueno (PE= 111 ºC), tetracloroetileno (PE=121 ºC), xileno

(PE=137 a 140 ºC).

2. O equipamento deve ser todo lavado com solução de ácido sulfúrico-dicromato, enxaguado

com água destilada e depois com álcool e seco após cada uso.

3. O frasco coletor deve ser calibrado com destilações sucessivas de quantidades conhecidas

de água.

4. A escolha dos vários tipos de frascos coletores existentes vai depender do volume de água

esperado na destilação; grau de calibração requerida; facilidade de escoamento e outros

fatores.

C. METODOS QUÍMICOS

O único método químico que é comumente utilizado para alimentos é aquele que

emprega o reagente de Karl Fischer, e é por isso conhecido como método de Karl Fischer. Este

reagente, descoberto por Karl Fischer em 1936, é composto de iodo, dióxido de enxofre,

piridina e um solvente que pode ser metanol.

Normalmente um excesso de dióxido de enxofre, piridina e metanol é usado de modo

que a força efetiva do reagente é estabelecida pela concentração de iodo. O reagente mais

utilizado é uma solução metanólica contendo os três reagentes nas seguintes proporções: I2: 3

SO2, : 10 C5H5N.

Por ser o reagente de Karl Fischer um dissecante poderoso, a amostra e o reagente

devem ser protegidos contra a umidade atmosférica em todos os procedimentos. O

procedimento do método se baseia numa titulação visual ou eletrométrica.

O I2 é reduzido para I na presença de água. Quando toda água da amostra for

consumida, a reação cessa.

Na titulação visual, a solução da amostra permanece amarelo canário enquanto

houver água presente, mudando para amarelo escuro e no ponto final para amarelo-marrom,

característico do iodo em excesso. A titulação visual é, entretanto, menos precisa que o

procedimento que e emprega a medida eletrométrica do ponto final, principalmente, para

amostras coloridas.

Neste caso são utilizados equipamentos que empregam eletrodos de platina. A forma

mais simples do equipamento consta de uma bateria, resistor variável, galvanômetro e

eletrodos de platina. Um potencial é aplicado através dos eletrodos apenas para balancear o

sistema, isto é, para o ponto onde o galvanômetro não está deflectado. Durante a titulação,

enquanto existe água presente, o anodo é despolarizado e o catodo polarizado. No ponto final,

o pequeno excesso de iodo despolariza o catodo, resultando no aparecimento de corrente,

que vai ser detectada pela deflecção da agulha do galvanômetro.

� OBSERVAÇÕES DO MÉTODO

1. Além do metanol, piridina. dioxano e dimetil formamida podem ser empregados como

solventes da amostra,

2. Titulação direta usualmente fornece a água total, isto é, água livre mais água de hidratação.

Quando um líquido miscível com água é disponível, a água livre pode ser determinada por

extração com este líquido e titulação do extrato.

O método não pode ser aplicado sem modificações em materiais contendo substâncias

que reagem com lodo, como, por exemplo, ácido ascórbico.

Em vez de utilizar vários pesos de água para calibrar o reagente, pode-se usar

tartarato de sódio diidratado moído (1 - 1,5 g) dispersado em 50 mL de metanol pré-titulado.

Alguns vegetais desidratados, como condimentos, contém aldeídos e cetonas ativos,

que reagem com o metanol de Karl Fischer, produzindo água. Existe uma proposta de

substituição do metanol por metil cellosolve (éter de monoetil etileno glicol) no reagente de

Karl Fischer e formamida como solvente da amostra.

Teoricamente o método de Karl Fischer pode ser utilizado para determinação de

umidade em gases, líquidos e sólidos. As amostras fluidas são coletadas por pipetas

automáticas ou seringas. Fluidos viscosos ou pastas são homogeneizados com solventes.

Sólidos podem ser homogeneizados com solvente ou titulados corno suspensão.

O método de Karl Fischer geralmente é aplicado em amostras que não dão bons

resultados pelo método de secagem a vácuo. Os produtos que são analisados por este método

são normalmente produtos com baixo teor de umidade como frutas e vegetais desidratados,

balas, chocolates, café torrado, óleos e gorduras. É também utilizado em produtos ricos em

açúcares, corno mel, e produtos ricos em ambos, açúcares redutores e proteínas, como os

cereais.

O método pode ser aplicado também em produtos de níveis de umidade

intermediários como produtos de padaria, misturas para bolos ricas em gordura e também em

produtos com altos níveis de óleos voláteis.

D. METODOS FÍSICOS

A. Absorção de radiação infravermelha: a medida da absorção da radiação em comprimentos de onda na região do infravermelho (3.0 e 6.1 mm) obtém a quantidade de água na amostra, com sensibilidade em ppm numa larga gama de materiais orgânicos e inorgânicos.

B. Cromatografia gasosa: é uma técnica pouco conhecida e pouco usada. E muito rápida (5 minutos) e pode ser aplicada em alimentos com unia larga faixa de umidade (8 a 56%) como cereais, produtos de cereais, frutas e produtos derivados de frutas, porém é necessário verificar a correlação com o método padrão de secagem em estufa, para cada tipo de amostra.

C. Ressonância nuclear magnética: técnica também pouco conhecida e pouco usada. Requer equipamento caro e sofisticado, mas oferece medidas muito rápidas (1 minuto), precisas e não destroem a amostra. Pode ser utilizada simultaneamente para a determinação de umidade e gordura.

D. Índice de refração: é um método bastante simples e rápido, feito no refratômetro, e está baseado na medida do ângulo de refração da amostra. Porém é um método menos preciso que os outros.

E. Densidade: é também um método simples, rápido e barato, mas pouco preciso. E mais utilizado para amostras com alto teor de açúcar, e a quantidade de água é obtida através da medida da densidade da amostra.

F. Condutividade elétrica: é baseado no princípio de que a quantidade de corrente elétrica que passa num alimento será proporcional à quantidade de água no alimento. O método é muito rápido (1 minuto), mas pouco preciso.

G. Constante dielétrica: amido, proteínas e componentes similares têm uma constante dielétrica de cerca de 10, enquanto a constante dielétrica da água é de 80. Portanto uma pequena mudança na quantidade de água produz uma grande mudança na constante dielétrica do alimento. O método é rápido e muito utilizado em farinhas, porém é também pouco preciso.

As três primeiras técnicas citadas (A, B e C) necessitam de equipamentos caros e sofisticados e não são comumente utilizadas. As características dos 4 últimos métodos (D, E, F e G) são que eles são simples, rápidos e baratos, mas também pouco precisos. Além disso, nos dois últimos (F e G), que são métodos elétricos, as medidas podem ser afetadas pelas texturas dos alimentos, tipo de embalagem, teor de metais, temperatura e distribuição de água no alimento. São bastante utilizados para avaliação de matéria-prima e durante o processamento. Porém deve se ter em mente dois cuidados na sua utilização: correção para temperatura e calibração necessária para cada tipo de alimento.

3. REFERÊNCIAS

1. Kirchhof, Simoni C.; Crizel, Giseli R.; Mendonça, Carla R. B.; A influência da água na

conservação dos alimentos. XVII CIV - UFP (2008).

2. CELESTINO, S. M. C. Princípios de secagem de alimentos. Planaltina, DF: Embrapa

Cerrados, 2010. 51 p. (Embrapa Cerrados. Documentos, 276).

3. Fiorda, F.A.; Siqueira, M.I.D.; Avaliação do pH e atividade de água em produtos

cárneos. Estudos, Goiânia, v. 36, n. 5/6, p. 817-826, maio/jun. 2009.

4. SILVA, A.M.L. Apostila de aulas práticas de análise físico-química de alimentos. Goiânia: PUC Goiás, 2008.