Atividade de Água na Indústria de Pet Food. - AquaLab

Atividade de Água
na Indústria de
Pet Food.
Tânia M. M. Shibata
Decagon Devices LatAm.
Algumas
perguntas antes
de iniciarmos a
apresentação
Um caso real
Uma companhia produzia 1000kg/h de ração.
Operando 8h/dia; 5 dias/semana; 22 dias /mês
(1000kg/h x 8h x 22 dias x 12 meses = 2.112.000Kg/ano)
O fabricante vendia a $0,90/Kg (2.112.000 x 0,90 = $ 1.900.800 /ano)
Originalmente ele secava o produto a 8% umidade, que correspondia a
0,50aw.
Aumentando o valor da atividade de água do produto para 0,65 (10%
umidade), o produto permanceu seguro e eles produziram 2,22% a mais por
ano, que equivale a 46.886Kg.
Eles geraram um adicional de $42.000,00 sem alterar a formulação e com a
mesma quantidade de matéria prima.
Adicionalmente os custos de produção reduziram pela economia na
secagem.
Você gostaria de ganhar $42.000,00 extras por ano
vendendo água? Isso pode ser alcançado medindo
atividade de água do produto ao invés da umidade.
Alimentação animal
Equilíbrio entre as camadas e
com o meio ambiente
Fatores que influenciam na velocidade do
equilíbrio
 Área superficial – tamanho das partículas
 Velocidade do ar
 Temperatura
 Pressão atmosférica
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.
http://atividadedeagua.blogspot.com.br/
Grão
Temperatura
°C
5
10
15
20
0,40
10
10
10
10
0,50
12
12
11
11
aw
0,60
13
13
13
13
0,70
15
15
15
15
0,80
18
18
18
17
0,90
22
21
21
21
Milho
5
10
15
20
12
11
11
10
14
13
13
12
16
16
15
14
19
18
17
17
18
18
18
17
22
21
21
21
Sorgo
5
10
15
20
12
12
12
11
14
13
13
13
15
15
15
14
17
17
16
16
19
19
19
18
22
22
22
21
Soja
5
10
15
20
7,7
7,5
7,3
7,1
9,9
9,6
9,4
9,1
12
12
11
11
15
15
14
14
19
19
18
18
26
25
25
24
Trigo duro
5
10
15
20
13
12
12
12
15
14
14
13
17
16
16
15
19
18
18
17
21
21
20
19
25
24
23
23
Trigo macio
5
10
15
20
12
11
11
11
13
13
13
12
15
14
14
14
17
16
16
15
19
18
18
17
22
21
20
20
Cevada
Umidade de
diferentes grãos
acondicionados
em diversas
URE ou aw
Pang, Y. & Herman, T.J.
Water activity as a
predictor of feed shelf
life. GRSI-1003 Feed
Manufacturer
Atividade de água = Estado de energia da
água
 Qual a diferença entre a água na
esponja e a água no béquer?
 Entre tantas respostas uma
delas é a energia da água.
 O estado da energia da água
na esponja é menor do que o
estado da energia da água no
béquer.
http://aqualabblog.wordpress.com/2012/07/27/basico-sobreatividade-de-agua-por-dr-gaylon-campbell//
Definindo
Atividade de água - aw
Mais algumas
perguntas
Definições de aw
Potencial
químico
Constante
Gases
Temperatura
µ = µo + RT ln (f/fo)
Potencial químico
de uma substância pura
Fugacidade
Definição de atividade de água
aw = p/po
1. Equilíbrio
2. Constantes T & P
Produto
Água pura
Definição de atividade
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
Valores de atividade de água
0,0aw
0,60 aw
Água pura
1,00 aw
Por que medir atividade de água?







Prever o desenvolvimento microbiano
Avaliar as reações químicas e vida de prateleira
Estabilidade física
Embalagem – proteção contra umidade ambiente.
Transferência de umidade entre ingredientes
Intercâmbio de umidade com o meio ambiente
Predição da curva de isoterma – umidade vs aw
aw e Microbiologia
Fontes de contaminação
 Durante a fabricação do produto
 Matéria prima contaminada
 Manipuladores
 Ambiente fabril
 Produto acabado:
 Consumidor
 Ambiente residencial
Consequências da contaminação
 Deterioração:




Aparecimento do bolor
Alteração de cor, textura e viscosidade
Produção de bolhas
Odor atípico (produção de voláteis com odor
desagradável)
Fatores que influenciam o desenvolvimento
de micro-organismos







Atividade de água
Temperatura
pH
Oxigênio
Nutrientes
Inibidores naturais/preservantes
Etc.
aw e micro-organismos : 55 anos !!
Scott, WJ
(pesquisador
australiano)
1957
“Water Relations of Food
Spoilage Microorganisms”
Advances Food Research,
7:83-127
Proliferação microbiana
Efeito de vários níveis
de aw na curva de
crescimento e fase
estacionária de
Staphylococcus
aureus.
Proliferação microbiana
Efeito de aw na redução do crescimento da bactéria
Fase estacionária
Fase de proliferação exponencial
Fase de latência
Adaptado de Troller, J. A. (1987). Adaptation and growth of microorganisms in environments with
reduced water activity. In: Water activity: Theory and applications to food Rockland, L. B. and
Beuchat, L. R. eds. Marcel Dekker, Inc.New York p.101-117.
aw Limite de crescimento* de Bactérias
Micro-organismo
aw Mínima
Clostridium botulinum E
0.97
Pseudomonas fluorescens
0.97
Escherichia coli
0.95
Clostridium perfringens
0.95
Clostridium botulinum A, B
0.94
Salmonella spp.
0.95
Vibrio parahaemoliticus
0.94
Bacillus cereus
0.93
Listeria monocytogenes
0.92
Bacillus subtilis
0.91
Staphylococcus aureus (anaerobic)
0.90
Staphylococcus aureus (aerobic)
0.86
* Condições ótimas de pH, temperatura, etc.
aw Limite de crescimento* de bolores
Micro-organismo
aw Mínima
Rhizopus nigricans
0.93
Penicillum expansum
0.83
Penicillum islandicum
0.83
Aspergillus fumigatus
0.82
Penicillum cyclopium
0.81
Penicillum martensii
0.79
Aspergillus niger
0.77
Aspergillus ochraceous
0.77
Aspergillus restrictus
0.75
Aspergillus candidus
0.75
Eurotium chevalieri
0.71
Eurotium amstelodami
0.70
Monascus bisporus
0.61
* Condicões ótimas de pH, temperatura, etc.
Espécie
Micotoxina
aw mínima
desenvolvimento
aw mínima
Produção
micotoxina
Aspergillus flavus
Aflatoxina
0,78-0,80
0,83-0,87
Aspergillus parasiticus
Aflatoxina
0,82
0,87
Citrinina
0,80
-
Aspergillus ochraceus
Ocratoxina
0,77-0,83
0,83-0,87
Penicillium cyclopium
Ocratoxina
0,81-0,85
0,87-0,90
Penicillium martensii
Ácido penicílico
0,79-0,83
0,99
Penicillium cyclopium
Ácido penicílico
0,82-0,87
0,97
Penicillium patulum
Patulina
0,81-0,85
0,85-0,95
Penicillium expansum
Patulina
0,83-0,85
0,99
Aspergillus clavatus
Patulina
0,85
0,99
Tricotecina
0,90
-
Penicillium citrinum
Trichothecium roseum
aw e Reações químicas
Estabilidade química e bioquímica
Oxidação lipídica
 Degradação de nutrientes
 Escurecimento não enzimático e reação de Maillard
Atividade enzimática
aw influencia velocidades de reações:
Água atua como:
• solvente
• reagente
• modifica a mobilidade dos reagentes (viscosidade)
Oxidação lipídica
Degradação de nutrientes
Degradação de nutrientes
Labuza, T. P. 1974. Storage stability and improvement of intermediate moisture foods. NAS Contract 9125-60, Phase II, Final Report:10-81.
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.
Atividade da enzima
Atividade da enzima
Hidrólise de lecitina
(days)
Acker, L. & Kaiser, H. (1959). Zeitschrift Fuer LebensmittelUntersuchung Und -Forschung. 110:349-356.
Atividade da enzima
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.
Estabilidade química e bioquímica
Atividade de água
serve como mapa
para predizer que
tipo de reação
ocorrerá, baseado
na composição do
produto.
Textura do produto 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
Fluidez do pó e empedramento
 Para se manter as propriedades de fluidez
e prevenir o empedramento de pós
 Estabelecer o valor de aw crítica
 Tratamento dos pós para valores abaixo
da aw crítica.
 Utilizar embalagem de alta barreira a
umidade
 Armazenar a baixas temperaturas
 Saches dessecantes
 Adição de agentes antiumectantes
Migração de umidade
Sistemas com multi-fases
• Duas regiões distintas com aw diferentes
• Água move de área de alta aw para áreas de baixa aw.
• A força de condução da água está diretamente relacionada
a aw.
• Velocidade da migração depende da estrutura de
propriedades de difusão do produto.
Migração da umidade causa:
• mudança na textura / sensorial
• crescimento microbiano
• reações de degradação
• alteração organoléptica
• perda de peso do produto embalado
Alguns estudos
Comportamento
da atividade de
água de 3 rações
comerciais
armazenadas em
diferentes locais
Rev. Bras. Saúde Prod. An., Salvador, v. 12, n.3, p.784-793 jul/set, 2011 Aspectos
microbiológicos e físico-químicos de três rações comerciais sob diferentes condições de
armazenamento.
Atividade de água e umidade de
polpa cítrica peletizada
Revista Brasileira de Eng. Agrícola e Ambiental, v.5, n.2, p 283 – 287, 2001.
Modelagem matemática da atividade de água em polpa cítrica peletizada.
Composição da
ração com
variação
somente da
quantidade de
água adicionada
durante o
processo de
extrusão
Murakami, Fabiane Yukiko, Impacto da
adição de água no processo de
extrusão sobre a digestibilidade e
propriedades físico-químicas da dieta
para cães. Dissertação (mestrado em
Ciências Veterinárias) UFPR, 2010
Murakami, Fabiane Yukiko, Impacto da adição de água no processo de extrusão sobre a
digestibilidade e propriedades físico-químicas da dieta para cães. Dissertação (mestrado
em Ciências Veterinárias) UFPR, 2010
Moagem Tipo de ração
1
2
3
4
5
Diâmetro
Pré condicionador
Pós condicionador
Pos Peletizador
Pós resfriamento
Pellet
Temp °C
aw
Temp °C
aw
Temp °C
aw
Temp °C
aw
Pig Starter
3,0
33
0,67
70
0,73
82
0,75
30
0,67
Engorda Frango
de corte
3,8
33
0,72
79
0,82
88
0,82
28
0,73
Engorda Frango
de corte
3,8
35
0,67
84
0,77
96
0,81
32
0,67
Pato corte
3,8
36
0,67
78
0,79
82
0,79
30
0,71
Pato postura
4,2
33
0,66
60
0,77
77
0,80
34
0,71
Engorda Frango
de corte
4,0
35
0,66
60
0,74
79
0,79
33
0,74
Camarão
2,0
34
0,62
79
0,78
108
0,77
34
0,55
Peixe
4,5
32
0,66
70
0,74
88
0,76
34
0,68
Pato corte
4,0
33
0,72
73
0,84
80
0,85
30
0,73
Pig Starter
4,0
32
0,68
82
0,78
88
0,79
32
0,62
Pig grower
4,0
34
0,68
79
0,82
88
0,79
30
0,63
Pig Starter
4,0
39
0,68
82
0,80
85
0,79
34
0,64
Engorda Frango
de corte
4,0
38
0,70
76
0,81
81
0,82
35
0,68
Peixe
1,5
36
0,71
88
0,84
94
0,83
34
0,70
Pang, Y. & Herman, T.J. Water activity as a predictor of feed shelf life. GRSI-1003 Feed Manufacturer
Amostras com aw acima de 0,76 fungos surgiram em 3 semanas.
Amostras com aw entre 0,70 e 0,75 fungos surgiram entre 40 e 80 dias
Os esporoso / fungos tornaramse visíveis após 90 dias de
armazenagem.
Pang, Y. & Herman, T.J. Water activity as a predictor of feed shelf life. GRSI-1003 Feed
Manufacturer
Você sabe o que acontece com a sua ração
quando é secada, hidratada e desidratada
novamente?
9
Moisture Content (% d.b.)
8
7
6
5
4
3
Produto pode
mofar
2
Produto seguro
1
0
0
0.2
0.4
0.6
Water Activity
0.8
1
Considerações







Ácaros podem estar ativos a 5°C e acima de 0,65aw e a 40°C acima de 0,60aw.
(Decagon, 2003). Rações secas estão abaixo de 0,60 aw
Monitorar a atividade de água, ajustar a relação água – sólidos solúveis e
adequar a embalagem completam o processo.
Secagem adicional ou uso de solutos como sal, sacarose ou sorbitol podem
reduzir a atividade de água, entretanto isso pode alterar as características
desejadas do produto final.
Preservativos como benzoato de sódio, ácido propiônico e sorbato de potássio
podem ser usados para controlar o desenvolvimento microbiano.
Faotres como pH, micro-organismos alvos, sabor e custo podem ser utilizados
na decisão do preservativo apropriado.
Isoterma de sorção devem ser traçadas para predizer a estabilidade física do
produto, determinar os limites críticos das características desejadas.
Rações com alta umidade (0,84aw), como os enlatados, devem ser processados
em conformidade as regulamentações para alimentos enlatadas pouco ácidos
(21 CFR, Part 113). Essa regulamentação estabelece os fatores críticos como
atividade de água a ser usada em conjunção com processamento térmico e
deve estar livre de ácaros.
PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO
AQUALAB SERIES 4
Ponto de Orvalho
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.
Constante dielétrica
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
Cabos Elétricos
Polímero
Higroscópico
Eletrodo Poroso
Cuidados com o seu
instrumento
Sensores
sempre
limpos
Equilíbrio
da
temperatura
Calibração
periódica
Exatidão
Local sem
oscilação
térmica
7,5 ml de
amostra
representativa
Preparo de amostra
John Z. www.aqualab.com

Frutas frescas, produto cárneos / Sabonetes, baton: cortar em pequenos pedaços
Realizar a leitura imediatamente. Oxidação e perda de água para ambiente alteram o
valor real de aw.

Oleaginosas, cereais, grãos em geral: triturar ou moer a amostra. O longo tempo
moendo e o aumento da temperatura durante a moagem podem alterar o valor de aw.

Ração dura / Comprimidos: quebrar em gral ou triturar levemente. Rações e
comprimidos pequenos podem ser lidos íntegros.

Ração macia contendo propileno glicol: o mesmo procedimento anterior, entretanto
necessita de leitura imediatamente após a trituração e com sensor apropriado.

Caramelos, caldas, méis, geléias, cremes: não necessitam de preparo, colocar uma
alíquota na cápsula e realizar a leitura.

Sucos e lácteos concentrados, soluções, xampu, loções: adicionar na cápsula e
realizar a leitura.

Pós, farinhas, liofilizados, spray dry: requerem cuidados extras como após
adicionadas na cápsula de amostra leitura imediata em ambiente com temperatura
controlada, evitar que o pó fino contamine o sensor .
Preparo de amostra
amostra
sem preparação
um corte ou
fatia
triturado em
gral
aw
aw
aw
(oC)
(oC)
(oC)
Biscoito
0,233
24,8
0,234
24,7
0,235
27,2
Comprimido antiácido revestido
0,299
25,4
0,300
25,9
0,294
26,1
Forma
farmacêutica
sólida OTC
0,458
25,4
0,300
25,9
0,348
25,9
Uva passa
revestida
chocolate
0,345
26,0
0,345
26,0
0,421
26,1
Dados não publicados Decagon Devices
Instrumentos Decagon
Conclusão
 Para produzir uma ração segura e comercialmente viável, a
atividade de água deve ser analisada no desenvolvimento do
produto e na garantia da qualidade.
 Os valores de atividade de água são extremamente importantes em
qualquer tipo de ração, visto que desempenha papel na estabilidade
física, química e biológica do produto.
 Há vários métodos para analisar e determinar o efeito da atividade
de água mesmo em formulações especiais.
 O desafio da indústria de ração é utilizar a correta combinação de
ingredientes, processamento e embalagem para criar produtos
seguros e com padrão de qualidade, encontrar os parâmetros dos
custos, manter a integridade do projeto e satisfazer o consumidor.
 by R.A. Timmons, North American Biosciences Center, Alltech Inc
Agradecemos a sua participação
Decagon Devices LatAm
R. José Alves dos Santos, 281
Sala 102 Floradas de S. José
12.230-081
S.J dos Campos – SP
Fone: (12) 3307-1016
 [email protected]