DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO CAFÉ
Juarez de Sousa e Silva Solenir Rufato
1. INTRODUCÃO
O conceito de conteúdo de umidade tem origem no fato de os grãos de café serem constituídos de substâncias sólidas e de certa quantidade de água retida sob várias formas. Para as operações de colheita, secagem e armazenamento, considera-se que o grão de café é formado apenas por matéria seca e água. Assim, conteúdo, teor ou grau de umidade, comumente chamado em várias áreas de conhecimento, representam quantidade relativa de água, em estado líquido, que está em contato direto com a estrutura celular é facilmente evaporada na presença de calor. Essa água é conhecida como "água livre". Outra porção de água, denominada água de constituição, também compondo a estrutura celular, está quimicamente presa ao material.
A umidade é considerada o fator mais importante que atua no processo de deterioração do café armazenado. Mantendo-se a umidade em níveis baixos, os demais fatores terão seus efeitos gradualmente diminuídos:
menor ataque de microrganismos e diminuição da respiração dos grãos de café. A umidade influencia, acentuadamente, as características necessárias aos processos, como colheita, preparo, secagem, armazenagem, germinação, beneficiamento, processamento etc. Portanto, desde a colheita até o processamento do café, é de primordial importância o conhecimento do teor de umidade. Por exemplo, a compra de café com umidade acima da ideal representa prejuízo para o comprador, que estará pagando pelo excesso de água, além de colocar em risco a qualidade final do produto. A venda com umidade abaixo da ideal prejudicará o cafeicultor, pois ele incorreu em gastos desnecessários com energia para secagem e desgastes do equipamento, além de afetar a qualidade final do café.
Para facilitar a compreensão, será considerado aqui que o grão de café é composto apenas de matéria seca e água livre.
Comercialmente, a quantidade de água, teor, conteúdo ou grau de umidade do café é expressa pela relação entre as quantidades de água e matéria seca que compõem o grão.
O operador do secador deve estar sempre atento para que, no final do processo de secagem, o café não perca água em excesso, trazendo problemas no manuseio, no beneficiamento e na comercialização.
O ideal é que se determine a umidade do café antes do beneficiamento e do processamento. Caso o produto esteja com excesso de umidade, deve-se secá-lo até o ponto ideal para cada processo. No caso de um produto muito seco, o cafeicultor deve usar silos ou tulhas com sistema de ventilação para aerar o café durante a noite, de forma que este absorva água até atingir o teor de umidade desejado.
2. CÁLCULO DO TEOR UMIDADE
Como dito anteriormente, a quantidade de água contida nos grãos de café é designada baseando-se no peso da água e geralmente é expressa em porcentagem.
Há dois modos de expressar a umidade contida no café: base úmida (b.u.) e base seca (b.s.).
A umidade contida nos grãos em base úmida é a razão entre o peso da água (Pa) presente na amostra e o peso total (Pt) desta amostra:
U = 100 (Pa / (Pt) eq.1 Pt = (Pms + Pa) = peso total eq.2 em que
U = teor de umidade, % b.u.
Pa = peso da água;
Pt = peso total da amostra; e Pms = peso da matéria seca.
A porcentagem de umidade em base seca é determinada pela razão entre o peso da água (Pa) e o peso da matéria seca (Pms):
U’ = 100 ( Pa / Pms) eq.3 em que
U’= teor de umidade, % b.s.
Pelas equações, vê-se claramente que o teor de umidade expresso em base seca é numericamente maior do que o teor de umidade em base úmida (U’>U). Isso porque, no segundo caso (U’), com apenas Pms, o denominador é menor do que no primeiro caso (U), em que ele representa o peso total do grão (Pa+Pms), e, em ambos os casos, o numerador permanece constante, ou seja, representa sempre o peso da água.
Geralmente, a porcentagem em base úmida é usada em designações comerciais e no estabelecimento de preços. No entanto, o teor de umidade em base seca (decimal) é comumente usado em trabalhos de pesquisa e em cálculos específicos.
2.1. Mudança de base
Uma tabela de conversão é muito útil e precisa quando se deseja passar da base seca para a base úmida e vice-versa, podendo ser construída por meio das seguintes equações:
a) Passar de b.u. para b.s.
U' = [U / (100-U)].100 eq.4 em que
U = % b.u. e U'= % b.s.
Exemplo: se U = 13% b.u., qual será o valor de U’?
U' = [13 / (100-13)]. 100 =14.9% ou 0,149 b.s.
b) Passar de b.s. para b.u.
U =[U' / (100 + U')].100 eq.5
Exemplo: se U' = 0,13 ou 13% b.s., qual será o valor de U?
U = [13 / (100 +13)].100 = 11,5% b.u.
Na Tabela 1 são fornecidos os valores de base úmida (%) convertidos em base seca (decimal).
Tabela 1 - Conversão de umidade base úmida (%) para base seca (decimal) b.u. (%) b.s. b.u. (%) b.s. b.u. (%) b.s.
8 0,087 15 0,176 22 0,282
9 0,099 16 0,190 23 0,299
10 0,111 17 0,200 24 0,316
11 0,123 18 0,220 25 0,333
12 0,136 19 0,234 26 0,351
13 0,150 20 0,250 27 0,370
14 0,163 21 0,265 28 0,389
3. MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DA UMIDADE
Há dois grupos de métodos para determinação da quantidade de água do café: a) diretos ou básicos (estufa, destilação, evaporação, radiação infravermelha) e b) indiretos (métodos elétricos, calibrados de acordo com o método-padrão de estufa ou outro método direto).
3.1. Métodos diretos ou básicos
Pelos métodos diretos, a massa de água extraída do café é relacionada com a massa de matéria seca (teor de umidade, base seca) ou com a massa total do material original (teor de umidade, base úmida). Apesar de serem considerados métodos-padrão, os métodos diretos exigem muito tempo e trabalho meticuloso para sua execução. São normalmente usados em laboratórios de análise de controle de qualidade. Os principais são os métodos de estufa, destilação, evaporação (EDABO) e infravermelho.
3.1.1. Estufa
A determinação do teor de umidade dos grãos pelo método da estufa (sob pressão atmosférica ou a vácuo) é feita com base na secagem de uma amostra de grãos, de massa conhecida, calculando-se o teor de umidade através da massa perdida na operação de secagem. A razão entre a perda de massa da amostra retirada da estufa e sua massa original, multiplicada por 100, fornece o teor de umidade em porcentagem, base úmida.
O tempo de secagem da amostra e a temperatura da estufa são variáveis e dependem do tipo e das condições em que se encontra o produto e da estufa utilizada. Para utilização do método-padrão, o leitor deve consultar o manual Regras para Análise de Sementes, editado pelo antigo Ministério da Agricultura e Reforma Agrária.
De modo geral, quando for necessária a determinação do teor de umidade de grãos pelo método da estufa sob pressão atmosférica (Figura 1a), podem-se usar os seguintes critérios:
a) Estufa sob pressão atmosférica
- Método em uma etapa: pesar pelo menos três amostras de 25 a 30 g do produto em pesa-filtros (Figura 1b) e colocá-las em estufa a 105 oC, por um período de 48 horas. Retirar as amostras e colocá-las em um dessecador (Figura 1b) até que sua temperatura entre em equilíbrio com a temperatura ambiente, pesando-as em seguida. A média das massas iniciais menos a média das massas finais das amostras representa a massa média da água evaporada. Para uma massa inicial média de 25 g de café e uma massa final média de 20 g, ter-se-á:
Ma = Mi – Mf = 25 - 20 = 5 g
% b.u. = (Ma/Mi)100 = (5/25)100 = 20% b.u.
O tempo de 48 horas, anteriormente mencionado, é um dado prático que varia conforme o tipo de grão. Para maiores detalhes sobre o método, recomenda-se novamente o manual oficial Regras para Análise de Sementes.
- Método em duas etapas: é utilizado para grãos com teor de umidade acima de 13% b.u.:
1a etapa: colocar amostras com 25 a 30 g de grãos inteiros em estufa a 130 oC até atingir teor de umidade em torno de 13% b.u. Na prática, essa operação leva aproximadamente 16 horas. Pesada a amostra, segue-se a segunda etapa.
2a etapa: a amostra retirada na primeira etapa é moída e separada em subamostras de 2 a 3 g. Em seguida, as subamostras são mantidas em estufa a 130 oC, durante uma hora, sendo feita a pesagem conforme explicado anteriormente.
Para demonstração, segue-se o exemplo:
- Peso inicial da amostra = 30 g.
Na primeira etapa, o peso atingiu 24 g, isto é, evaporaram 6 g de água (30 - 24 = 6 g).
O peso inicial da amostra devidamente moída é de 3 g para a segunda etapa, e, no final da secagem, de 2,5 g. Assim, a água extraída nesta etapa é de 3 g - 2,5 g = 0,5 g.
Tanto na primeira como na segunda etapa, é necessário levar as amostras para o dessecador, para que atinjam a temperatura ambiente.
Verifica-se, portanto, que foi perdido 0,5 g para a amostra de 3 g, correspondente a 24 g na primeira etapa.
Assim, os 24 g teriam perdido:
3 g ____ 0,5 24 g ____ X
X = (24 x 0,5)/3 = 4 g de água.
Portanto, da amostra inicial com 30 g, foram retirados 10 g de água, isto é, 6 g na primeira e 4 g na segunda etapa. Daí, ter-se-á
% b.u. = (10 / 30) 100 = 33,3%
% b.s. = (10 / 20) 100 = 50%
Figura 1a - Estufa com circulação de ar.
Pesa-filtros Dessecador Figura 1b - Pesa-filtros e dessecador.
b) Estufa a vácuo
As amostras são inicialmente moídas, colocadas em estufa a aproximadamente 100 oC e mantidas sob pressão de 25 mm de Hg durante, aproximadamente, cinco horas. A seguir, elas são retiradas e, como nos processos anteriores, pesadas após atingirem a temperatura ambiente. A perda de peso representará a quantidade de água da amostra. Calculando-se como nos casos anteriores, será obtida a porcentagem de umidade. A estufa a vácuo não é comumente usada para determinação de umidade de café em grãos.
3.1.2. Destilação
A umidade é removida pela fervura dos grãos em banho de óleo vegetal ou em tolueno, cuja temperatura de ebulição é muito superior à da água. O vapor d'água oriundo da amostra é condensado e recolhido e seu peso ou volume, determinado.
Há dois métodos de destilação para o caso de grãos: tolueno e Brown-Duvel.
3.1.2.1. Tolueno
Inicialmente, a amostra é moída, pesada (5 a 20g) e destilada em tolueno à temperatura de aproximadamente 110 oC até perder toda a água.
Na prática, essa operação dura cerca de duas horas. Em muitos casos, o tolueno pode ser substituído pelo xileno, cujo ponto de ebulição é de aproximadamente 138 oC. Ambos, porém, apresentam o inconveniente de serem inflamáveis.
3.1.2.2. Brown-Duvel
É um dos métodos-padrão nos Estados Unidos da América. O aparelho pode ser constituído por vários módulos, e a umidade é determinada pelo processo de destilação. Não há necessidade de moer a amostra. É muito semelhante ao método do tolueno, porém possui um sistema termométrico que desliga automaticamente a fonte de aquecimento.
O tamanho da amostra, a temperatura e o tempo de exposição variam com o tipo de grão. É aconselhável, portanto, consultar o manual do aparelho antes de executar a determinação da umidade. A Figura 2 ilustra o funcionamento desse método.
A água é removida pelo aquecimento, até o ponto de ebulição, de uma mistura de grãos e óleo vegetal. A temperatura de ebulição do óleo é muito superior à da água. O vapor d’água oriundo da destilação da amostra é condensado e seu volume, determinado.
Considerando a densidade da água como 1,0 g/cm3, a massa da água retirada é igual ao volume medido por meio de uma proveta graduada. O Brown Duvel comercial possui um sistema termométrico que desliga automaticamente a fonte de aquecimento quando o óleo atinge uma temperatura específica para cada tipo de produto.
Figura 2 - Esquema básico do método de destilação.
3.1.3. Método EDABO
Apesar dos vários tipos de determinadores de umidade (diretos ou indiretos) disponíveis no mercado, eles são, em geral, de custos relativamente elevados e, muitas vezes, os fornecedores não oferecem a devida assistência técnica. Como necessitam de aferição ou calibração periódicas e por causa das dificuldades de operação e custo de um sistema- padrão, foi desenvolvido o método de determinação EDABO (Evaporação Direta da Água em Banho de Óleo), uma variação do método de destilação, de baixo custo e de mesma precisão do método-padrão. Na Figura 3, vê-se um esquema simplificado do método EDABO, que pode ser construído com os recursos de uma carpintaria simples. Caso contrário, pode-se, com utensílios domésticos ou de laboratório, termômetro e uma balança com capacidade para pesar 500 g com precisão de 0,5 g, ou melhor, montar um sistema EDABO (Figura 4a e 4b).
Para determinar a umidade por meio do EDABO, o operador deve proceder de acordo com os exemplos a seguir:
Exemplo 1: determinar o teor de umidade de um lote de café.
Solução
a) Fazer amostragem correta do lote;
b) pesar 100 g do café e colocar em um recipiente com aproximadamente 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura, resistente a altas temperaturas, dotado de tampa perfurada (tipo ralo), com um furo maior para inserir um termômetro graduado até 200 °C;
c) adicionar óleo de soja até cobrir a camada de grãos;
d) pesar o recipiente + produto (grãos) + óleo + termômetro e anotar a massa inicial (Mi);
e) aquecer o conjunto, por aproximadamente 15 minutos, até atingir a temperatura indicada na Tabela 2 (no caso do café beneficiado, 190
oC). A seguir, retirar a fonte de calor, esperar que cesse o borbulhamento e, por pesagem, obter a massa final (Mf); e
f) o resultado de Mi - Mf é o teor de umidade em porcentagem, base úmida.
Por exemplo, se Mi = 458,9 g e Mf = 445,4 g, Ma = Mi - Mf = 13,5 g,
ou seja, o teor de umidade do lote é de 13,5% b.u.
Figura 3 - Esquema básico de um EDABO construído em madeira.
Figura 4a - Esquema de um EDABO para laboratório.
Figura 4b - Sistema EDABO para três repetições.
Tabela 2 - Temperatura para determinação do teor de umidade pelo método EDABO
Produto Temperatura Produto Temperatura
(oC) (oC)
Feijão 175 Milho 195
Arroz em casca 200 Soja 135
Arroz beneficiado
195 Sorgo 195
Café em coco 200 Trigo 190
Café beneficiado 190
3.1.4. Fontes de erro nos métodos diretos
Embora às vezes considerados padrões primários ou secundários, os métodos diretos de determinação de umidade estão sujeitos a grandes variações. Entre as principais variações estão:
- secagem incompleta;
- oxidação do material;
- erros de amostragem;
- erros de pesagem; e - erros de observação.
Na Figura 5, mostra-se a variação de peso durante a determinação da umidade por um método direto. Podem-se identificar três fases distintas para
ilustrar os dois primeiros tipos de erros. A primeira fase corresponde àquela em que o café perde água gradativamente, enquanto a segunda é o fim da secagem, quando o peso permanece constante, porque toda a " água livre" foi removida.
Prolongando-se o tempo além da segunda fase, novamente começa a ocorrer uma queda de peso, ou seja, a amostra de café começa a oxidar-se.
Se o processo for interrompido na primeira ou na terceira fase, incorre-se em erro. Portanto, a interrupção deve acontecer na segunda fase, isto é, quando não há variação no peso da amostra.
Erros de amostragem: a finalidade de uma amostra é representar uma população ou um lote de determinado elemento. Se a amostragem não for efetuada segundo técnicas adequadas, o valor obtido pela análise dessa amostra, não será confiável mesmo utilizando o método mais seguro na determinação da umidade.
Erros de pesagem: a utilização de balanças inadequadas ou imprecisas conduz a erros na determinação da umidade. Amostras ainda quentes provocam correntes de convecção, prejudicando bastante a precisão da pesagem.
Para melhor caracterizar o valor da umidade de um produto, a pesagem das amostras e a leitura no dial do aparelho medidor devem ser realizadas por uma única pessoa. Dependendo do tipo de equipamento, uma leitura situada entre dois valores conhecidos dificilmente terá o mesmo valor se for feita por pessoas diferentes.
Figura 5 - Variação no peso da amostra em função do tempo de secagem por processos diretos.
3.2. Métodos indiretos
Incluem, principalmente, os métodos elétricos. Os equipamentos classificados nesta categoria utilizam uma propriedade do grão que varia com o seu teor de umidade e são sempre calibrados segundo um método direto adotado como padrão oficial.
Em razão da rapidez na determinação do teor de umidade, os determinadores elétricos ou eletrônicos são usados no controle da secagem, da armazenagem e em transações comerciais de grãos. Esses equipamentos fornecem o valor do teor de umidade em base úmida, ou seja, mostra a relação percentual entre a quantidade de água e a massa total da amostra, de acordo com a equação 1.
3.2.1. Método da resistência elétrica
A condutividade elétrica de um material varia com o seu teor de umidade. No caso de grãos, o teor de umidade (U) é inversamente proporcional ao logaritmo da resistência que estes oferecem à passagem de uma corrente elétrica. Em determinada faixa, a umidade contida numa amostra de grãos pode ser dada pela equação 6.
U = K. (1 / log R) eq.6 em que
U = teor de umidade;
K = constante que depende do material; e R = resistência elétrica.
O circuito básico usado nos determinadores de umidade com base na resistência elétrica e a representação gráfica da relação entre teor de umidade dos grãos e resistência elétrica oferecida por eles são mostrados na Figura 6.
Sabe-se que a resistência elétrica de um material varia de acordo com a temperatura e que, ao contrário dos metais, um aumento na temperatura promove diminuição da resistência elétrica no carbono. Como os grãos de café são constituídos basicamente desse material, o operador de um determinador com base no princípio da resistência elétrica deve tomar alguns cuidados com a temperatura das amostras. Temperaturas elevadas poderão induzir a erros (temperatura alta resulta em baixa resistência elétrica, que por sua vez significa umidade elevada). Assim, torna-se necessário fazer a correção da temperatura.
A resistência elétrica depende da pressão exercida pelos eletrodos sobre a amostra de café. Quanto maior a pressão exercida sobre os grãos, menor a resistência elétrica que poderá influenciar o valor correto da umidade. Portanto, cada tipo de grão, num mesmo aparelho, deverá ser
submetido a uma pressão específica (recomenda-se leitura criteriosa do catálogo específico do aparelho medidor de umidade).
Geralmente, os aparelhos comerciais (Figura 7) apresentam melhores resultados para amostras com baixo teor de umidade (10 a 20% b.
u.).
Figura 6 - Esquema do método da resistência elétrica e sua variação em função do teor de umidade.
Figura 7 - Medidor de umidade cujo princípio de funcionamento é a resistência elétrica dos grãos.
Ao usar um equipamento que funcione com base na resistividade elétrica, os seguintes pontos devem ser observados:
1. Consultar o manual do equipamento. Cada tipo de grão exige uma técnica específica, e a leitura não pode ser repetida com uma mesma amostra, pois esta é danificada pelo sistema de compressão.
2. As técnicas de amostragem devem ser seguidas.
3. Observar, freqüentemente, o estado de limpeza dos eletrodos. Ao serem comprimidos entre eles, os grãos de café deixam um resíduo que poderá prejudicar as determinações subseqüentes.
4. Ajustar periodicamente o sistema de compressão, pois ele está sujeito a esforços relativamente elevados e, dependendo do material de fabricação do aparelho, poderá sofrer sérias avarias.
5. As leituras, em caso de amostras retiradas quentes do secador, poderão ser irreais. Para evitar erros, é importante manter as amostras de café em repouso por algum tempo (homogeneização da umidade no interior dos grãos) e esperar que sua temperatura fique próxima à temperatura do aparelho.
6. A leitura, em caso de grãos com superfície molhada por condensação ou que foram expostos à chuva, mostrará um teor de umidade acima do real.
7. Os determinadores de umidade devem ser avaliados periodicamente e, se necessário, devem ser novamente calibrados com a utilização de um método direto.
3.2.2. Método do dielétrico
As propriedades dielétricas dos materiais biológicos dependem, principalmente, de seu teor de umidade. A capacidade de um condensador é influenciada pelas propriedades dielétricas dos materiais colocados entre suas armaduras ou placas. Assim, determinando as variações da capacidade elétrica do condensador, cujo dielétrico é representado por uma massa de grãos, pode-se indiretamente determinar seu teor de umidade.
Na Figura 8, mostra-se o esquema básico de determinadores que utilizam as propriedades dielétricas dos grãos. A variação da capacidade dielétrica (D) e o teor de umidade (U) dos grãos são dados pela equação 7.
U = D x C eq. 7 em que
D = dielétrico;
C = constante que depende do aparelho, do material etc.; e
U = teor de umidade.
Os equipamentos baseados neste princípio (Figura 9a, b e c) são rápidos e de fácil operação. Ao contrário dos sistemas por resistência elétrica, não danificam as amostras de café.
Para usar corretamente um aparelho com base no princípio do dielétrico ou capacitivo, o operador deve seguir as seguintes recomendações:
1. Como alguns aparelhos medem também uma pequena resistência oferecida pelo material à passagem de corrente elétrica, eles são considerados mais precisos na determinação de teores de umidade mais
baixos. Este método permite determinar o teor de umidade de grãos recém- saídos do secador, porque o efeito da temperatura é menor do que aquele observado no método da resistência elétrica.
2. As técnicas de amostragem devem ser seguidas.
3. A correção adequada da temperatura é necessária.
4. A queda da amostra na câmara, sempre que possível, deve ser feita sempre a partir de uma mesma altura e com bastante cuidado. Existem aparelhos que são fabricados com dispositivos automáticos para pesagem e carga de amostras.
5. Flutuações de voltagem na linha de distribuição podem prejudicar a determinação. Portanto, os equipamentos devem ser padronizados freqüentemente, de acordo com o manual do equipamento.
6. Os determinadores de umidade devem ser avaliados periodicamente e, se necessário, calibrados por meio de um método direto.
7. Para cada tipo de grão existe uma tabela específica para determinação do teor de umidade.
8. As instruções do fabricante devem ser seguidas corretamente.
Figura 8 - Esquema elétrico básico de um determinador de umidade capacitivo.
a (digital) b (analógico) c (com interface para micros) Figuras 9 - Tipos comuns de determinadores de umidade com base nas
propriedades dielétricas dos grãos.
4. AFERIÇÃO E CALIBRAÇÃO DE DETERMINADORES
Uma das maiores dificuldades encontradas para adoção e utilização generalizada dos determinadores de umidade por meio de medidores elétricos e eletrônicos é o fato de serem caros, importados, ou cópias destes, produzidos sob licenciamento. Outro problema encontrado se refere à credibilidade dos resultados quando o equipamento apresenta algum tipo de desajuste, devido a fatores operacionais, ambiente de armazenamento ou alguma falha no sistema de alimentação, dentre outros. Assim, torna-se necessária uma aferição e, em alguns casos, uma calibração da escala- reserva ou uma escala específica para determinar a umidade de um tipo de grão em particular.
Além de acarretar problemas durante todas as fases do pré- processamento, uma medição incorreta do teor de umidade do café implicará perdas financeiras e de credibilidade do responsável pelo setor de classificação. Por tudo isso ou por um possível desajuste do equipamento, exigem-se avaliações que permitam maior confiabilidade nos dados. Para tal, sugere-se que, periodicamente, o operador faça medições de amostras de café com teores de umidade conhecidos e com o mesmo tipo de café a ser trabalhado. Constatados desvios absolutos muito acima de 0,5 ponto percentual, deve-se providenciar o ajuste ou uma nova calibração do equipamento em uma instituição especializada.
5. LITERATURA CONSULTADA
1. BAKKER-ARKEMA, F.W. Grain quality and management of grain quality standard. Porto Alegre: FAO Technical Symposium on Grain Drying and Sorage in Latin America, 1993. 7 p. (Paper, I-02).
2. BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, R.W.; HALL, C.W. Drying and storage of cereal grains and oilseeds. New York: AVI Publishing, 1992. 450 p.
3. FREEMAN, J.F. Quality factors affecting value of corn wet milling. In:
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4. HENDERSON, S.M.; & PERRY, R.L. Agricultural process engineering. Westport: AVI Publishing, 1976. 481 p.
5. SILVA, J.S.; BERBERT, P.A.; AFONSO, A.D.L.; RUFATO, S.
Qualidade dos grãos. In: Secagem e armazenagem de produtos agrícolas. Viçosa, MG: Editora Aprenda Fácil, 2000. 502 p.
