UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia de Alimentos
ANA VALÉRIA ULHANO BRAGA
“CARACTERIZAÇÃO DE ATIVIDADE DE ÁGUA E CINÉTICA DE
DESSORÇÃO DE ÁGUA EM ALIMENTOS”
CAMPINAS
2015
“CARACTERIZAÇÃO DE ATIVIDADE DE ÁGUA E CINÉTICA DE
DESSORÇÃO DE ÁGUA EM ALIMENTOS”
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Tecnologia de Alimentos.
Orientador: Prof. Dr. Flávio Luís Schmidt Co-Orientador: Dr. Serguei Balachov
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA ANA VALÉRIA ULHANO BRAGA, E ORIENTADA PELO PROF. DR. FLÁVIO LUÍS SCHMIDT.
CAMPINAS
2015
Prof. Dr. Flávio Luís Schmidt (Orientador) Universidade Estadual de Campinas – Titular
Dr. Alfredo de Almeida Vitali Pesquisador - Titular
Dra. Flávia Maria Netto
Universidade Estadual de Campinas – Titular
Dr. Marcelo Cristianini
Universidade Estadual de Campinas – Suplente
Dra. Maria Isabel Berto
Instituto de Tecnologia de Alimentos – Suplente
A ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Agradeço ao meu orientador Professor Dr. Flávio Luís Schimidt por toda ajuda, paciência, confiança em meu trabalho e pela disponibilidade em me ajudar sempre. Obrigada por fazer esse trabalho possível e por todas as oportunidades.
Agradeço especialmente ao meu co-orientador Dr. Serguei Balashov por todas as oportunidades profissionais, por todo o ensinamento nesses anos como sua aluna e principalmente pelo exemplo de pesquisador. Obrigada pela paciência, por toda a ajuda por fazer esse trabalho possível.
Agradeço a Dra. Olga Balashova pela deposição dos filmes sensíveis nos sensores utilizados nesse trabalho, pelas correções, por toda a ajuda e por todos os ensinamentos durante todo o tempo que trabalhamos juntas.
Agradeço a Maria Cecília pela montagem do circuito elétrico do sensor e por toda ajuda e companheirismo durante o desenvolvimento desse trabalho.
Agradeço a Graça e a Elaine por todo o trabalho desenvolvido na sala limpa de fabricação dos sensores, por toda ajuda e apoio durante o desenvolvimento desse trabalho.
Agradeço a todos os colegas da Divisão de Microssistemas do CTI Renato Archer por toda a ajuda.
Agradeço a divisão DAPE do CTI Renato Archer, especialmente ao Nailson por toda a ajuda com o desenvolvimento do software e instalação de equipamentos que viabilizaram meu trabalho.
Agradeço ao Carlos pela ajuda e pelo companheirismo durante meu mestrado.
Agradeço a Fátima pela amizade e por todos os almoços que fizeram meus dias muito alegres.
Agradeço ao setor de Microbiologia do Centro de Ciência e Qualidade de Alimentos do ITAL por toda a infraestrutura e ajuda durante o preparo dos padrões, especialmente as técnicas e amigas Fabiana, Gabriela e Silvia que me ajudaram e me ensinaram muito desde o início de minha vida profissional.
Agradeço ao Dr. Hector Abel Palácios Cabrera, pesquisador da microbiologia do ITAL por toda a orientação em relação aos padrões, todas as oportunidades que me apresentou e tudo que me ensinou.
Agradeço a NAMITEC pelo apoio financeiro ao projeto e a CNPq pela bolsa concedida.
Agradeço aos meus pais por todo o apoio durante esse trabalho e em todos meus estudos, além de todos os ensinamentos e exemplos que formaram a pessoa que sou. Sem o incentivo de vocês nada seria possível.
Agradeço a meu namorado Danilo por todo apoio, paciência, compreensão, incentivo e ajuda durante esse trabalho.
Agradeço a todos que de alguma forma me ajudaram e me apoiaram no desenvolvimento do meu trabalho.
A atividade de água (Aw) é um parâmetro muito importante para a indústria de alimentos, pois influencia a velocidade de reações enzimáticas, químicas e microbiológicas. Os equipamentos disponíveis no mercado para medidas de Aw são baseados na medida do ponto de orvalho, capacitância ou resistência são muito caros, sua resposta pode ser muito demorada e sujeitos a contaminação por voláteis da amostra. Nesse trabalho é proposto o uso de sensores de ondas acústicas superficiais (SAW) medir Aw de alimentos. O objetivo desse trabalho foi avaliar a viabilidade desse sensor com filme sensível de óxido de grafeno para medidas de Aw de alimentos variados, avaliando também sua precisão, tempo de resposta e custo. Um modelo de tratamento de dados, baseado em dois processos simultâneos de adsorção de água pela superfície do sensor foi adotado. As curvas de referência do sensor foram gerada través da medida da Aw de 12 soluções padrão. Trinta e duas amostras de alimentos foram medidas por um equipamento comercial de Aw (Decagon 4TE) e pelo sensor de SAW. Os parâmetros de amplitudes de saturação A1+A2 e A1 foram extraídos das curvas cinéticas e avaliados usando as curvas de referência. O erro médio de medidas do sensor de SAW (em relação ao equipamento comercial) utilizando o parâmetro A1+A2 foi de 0,0190 unidade de Aw, que é menor do que o erro de alguns equipamentos comerciais. O tempo de medidas com o sensor de SAW usando somente A1 é menor do que o tempo de medidas usando equipamentos comercias. A média dos erros para esse caso foi de 0,0371 unidade de Aw. A precisão pode ser aumentada no futuro usando os outros métodos de síntese e deposição de óxido de grafeno. O tempo de medidas de Aw pelo sensor comercial foi em média de 4:55min, enquanto o tempo médio de medidas do sensor de SAW foi de 4:46min avaliando A1+A2 e 0:46min avaliando somente A1. Foi concluído que o sensor de SAW apresenta resposta mais rápida que os típicos sensores comerciais, e por isso pode ser usado para a medida rápida e precisa de Aw para vários tipos de alimentos. O baixo preço do sensor de SAW vai garantir sua disponibilidade não somente para a indústria de alimentos, mas também para laboratórios e pequenos produtores de alimentos. Além disso, a possibilidade de extrair as características da curva cinética de dessorção de moléculas de água do alimento pode gerar novos parâmetros para o controle da qualidade e de processos a que os alimentos são expostos.
Water activity (Aw) is a very important parameter for the food industry because it influences the velocity of enzymatic, chemical and microbiological reactions. Commercially available Aw measurement equipment is based on dew point evaluation, is expensive and its response can be time consuming for some types of samples. Surface Acoustic Wave (SAW) sensors are already used to measure relative humidity and in this work it is proposed for the first time its application as the Aw sensor. The aim of this work was the feasibility study of use of this sensor with graphene oxide sensitive film for measurement of Aw of different foods, its accuracy, response time and price. The model of data processing which is based on two simultaneous processes of water adsorption by the sensor surface was adopted. Through the measurement of 12 standard solutions, adjust parameters were extracted and two reference curves were approximated by polynomials. Thirty two food samples were measured by a commercial Aw equipment (Decagon 4TE) and by the SAW sensor. The parameters of saturation amplitude A1+A2 and A1 were extracted from kinetic curves of water molecules desorption of foods. These values were applied to the correspondent reference curve to determine the Aw value using SAW sensor. The sensor mean error using the parameter A1+A2 was 0.0190 units of Aw. The measurement time with SAW sensor using only A1 is less than the measurement time of the commercial equipment. The mean error in this case is around 0.0371 units of Aw. The accuracy can be increased in the future by using other methods of synthesis and deposition of graphene oxide. The Aw measurement time by the commercial sensor was in average 4:54min, while the average SAW sensor measurement time was 4:46min evaluating A1+A2 and 0:46min evaluating only A1. It was concluded that the developed sensor, being faster than a typical commercial one, can be used for rapid and precise Aw measurement for various types of food samples. The low price will ensure the sensor availability not only for the food industry, but also for laboratories and small food producers. The possibility of extracting kinetic characteristics of the water desorption can add additional parameters of the control of food samples quality and process.
Figura 1: Mapa de estabilidade. Velocidade relativa de diferentes reações de acordo
com a atividade de água do alimento ... 22
Figura 2: Textura dos alimentos de acordo com a atividade de água ... 23
Figura 3 - Dessecador para medida de atividade de água pelo método tradicional .. 25
Figura 4 - Câmara fechada de um equipamento de atividade de água de ponto de orvalho. ... 28
Figura 5 - Perfil típico de uma onda SAW que mostra as velocidades de cada ponto de um cristal.. ... 34
Figura 6: Estrutura de um sensor de ondas acústicas superficiais. ... 35
Figura 7 - Estrutura química do óxido de grafeno ... 36
Figura 8 - Uma curva típica de calibração de um sensor de SAW com diferentes umidades relativas ... 38
Figura 9 - Sensor de SAW... 39
Figura 10: Fotos da caixa do sensor.. ... 40
Figura 11: Caixa do sensor com recipiente plástico acoplado... 40
Figura 12 - Esquema de equipamentos necessários para fazer medidas no sensor de SAW ... 41
Figura 13 - Sensor SAW ligado à fonte, contador de frequência e computador ... 41
Figura 14 - Etapas do processo de medidas ... 43
Figura 15: Curvas de adsorção obtidas com diferentes modelos. ... 50
Figura 16 – Comparação entre valores experimentais e valores teóricos e linha de tendência linear. ... 51
Figura 17 - Valores de Aw de amostras-padrão descritas pela literatura e experimentais ... 54
Figura 18 - Amplitude de saturação e desvio padrão de amostras-padrão testadas em sensores com diferentes filmes sensíveis ... 55
Figura 19: Curva de referência (A1+A2) gerada pelos pontos de referência aproximados por um polinômio de 5ª ordem e equação utilizada para o teste de viabilidade dos alimentos ... 57
Figura 20- Curva de referência (A1) gerada pelos pontos de referência aproximados por um polinômio de 5ª ordem e equação utilizada para o teste de viabilidade dos alimentos ... 58
Figura 21 - Curva de referência (A2) gerada pelos pontos de referência aproximados por um polinômio de 5ª ordem. ... 59
Figura 22 – Aw (decagon) e Amplitude de saturação (A1 + A2) (SAW) de soluções padrão (pontos de referência) e alimentos ... 65
Figura 23 - Diferença absoluta menor que 0,02 para valores de atividade de água medidos pelo sensor SAW (amplitude A1 + A2) e Decagon... 66
Figura 24 - Diferença absoluta maior que 0,02 para valores de atividade de água medidos pelo sensor SAW (amplitude A1 + A2) e Decagon... 66
Figura 25 – Valores de atividade de água de alimentos medidos do Decagon e sensor SAW (amplitudes A1 + A2) ... 67
Figura 26 - Aw (decagon) e Amplitude de saturação (A1) (SAW) de soluções padrão (pontos de referência) e alimentos ... 71
Figura 27 - Diferença absoluta menor que 0,02 para valores de atividade de água medidos pelo sensor SAW (amplitude A1) e Decagon ... 71
sensor SAW (amplitude A1) ... 72 Figura 30 – Valores de atividade de água medidos pelo sensor de SAW utilizando os valores de amplitude A1+A2 e A1 ... 73 Figura 31 – Resultado do teste de repetitividade das amostras ... 75 Figura 32 - Média e desvio padrão das amplitudes das amostra-padrão testadas durante o teste de repetitividade ... 75 Figura 33 - Velocidade α1 das 3 amostras de pão de queijo sem passar por nenhum processo, e após serem submetidas ao processo de secagem e adição de água.... 78
Tabela 1 - Atividade de água mínima necessária para o crescimento de
micro-organismos e produção de toxinas ... 19 Tabela 2 - Atividade de água mínima para reações enzimáticas em alguns alimentos. ... 22 Tabela 3: descrição de características e preço dos principais equipamentos de atividade de água existentes no mercado ... 31 Tabela 4 – Atividade de água a 25ºC de soluções salinas saturadas e água pura usadas como padrão de atividade de água ... 33 Tabela 5 - Amostras-padrão preparadas para as medidas com o sensor de SAW e Aw esperada a 25ºC... 44 Tabela 6: Valor de atividade de água de amostras-padrão da literatura e
experimentais medidos em equipamento Decagon 4TE ... 53 Tabela 7 - Parâmetros extraídos das curvas cinéticas das soluções padrões através de ajuste com o modelo 3 para obter a curva de referência ... 56 Tabela 8 - Parâmetros extraídos das curvas de alimentos ajustados ao modelo 3 ... 60 Tabela 9 - Atividade de água de amostras de alimento usando o novo sensor de SAW (amplitudes A1+A2) e equipamento comercial Decagon 4TE ... 63 Tabela 10 - Atividade de água de amostras de alimento usando o novo sensor de SAW (amplitude A1) e equipamento comercial Decagon 4TE ... 69 Tabela 11 - Parâmetros das curvas das 3 amostras de pão de queijo extraídos através de ajuste com o modelo 3 para teste dinâmico ... 77
Aw – Atividade de água (water activity)
SAW – Ondas acústicas superficiais (surface acoustic waves) GO – Óxido de grafeno (graphene oxide)
RF – Rádio frequência
1 Introdução geral ... 14 2 Objetivos ... 15 2.1 Objetivo geral ... 15 2.2 Objetivos específicos ... 15 3 Revisão Bibliográfica ... 16 3.1 Atividade de água ... 16
3.1.1 Atividade de água e crescimento microbiano ... 18
3.1.2 Atividade de água e a estabilidade dos alimentos ... 21
3.1.3 Atividade de água e textura dos alimentos ... 23
3.2 Métodos de medidas de atividade de água ... 24
3.2.1 Método tradicional (método estático) ... 24
3.2.2 Método do ponto de congelamento ... 25
3.2.3 Método manométrico ... 26
3.2.4 Métodos higrométricos ... 26
3.2.4.1 Ponto de orvalho ... 27
3.2.4.2 Higrômetros elétricos ... 28
3.2.4.3 Higrômetro de cabelo ... 29
3.3 Atividade de água e temperatura ... 29
3.4 A medida de Aw na indústria ... 30
3.5 Equipamentos comerciais ... 31
3.6 Padrões de atividade de água ... 32
3.7 Sensores de ondas acústicas superficiais ... 34
3.7.1 Princípio de funcionamento ... 35
3.7.2 Deposição de filmes sensíveis de óxido de grafeno ... 36
3.7.3 Sensores de SAW para medidas de atividade de água ... 38
4 Material e Métodos ... 39 4.1 Dispositivo de SAW ... 39 4.2 Sensor de SAW ... 39 4.3 Equipamentos necessários ... 40 4.4 Processo de medidas ... 42 4.5 Preparo de soluções-padrão ... 44
4.8 Teste de viabilidade ... 48
4.9 Teste de repetitividade de medidas ... 49
4.10 Teste dinâmico de atividade de água ... 49
5 Resultados ... 50
5.1 Tratamento de dados ... 50
5.2 Padrões de atividade de água ... 52
5.3 Ajuste da sensibilidade do filme sensível ... 54
5.4 Curva de referência ... 55
5.5 Teste de viabilidade com vários alimentos ... 59
5.6 Teste de repetitividade de medidas ... 74
5.7 Teste dinâmico de Atividade de água ... 76
5.8 Competitividade de mercado do sensor de SAW ... 78
6 Conclusões ... 79
7 Sugestão para trabalhos futuros ... 80
8Referências ... 81
9 Anexos ... 86
9.1 Curvas experimentais das soluções padrão do sensor de SAW com 10 camadas de Óxido de grafeno ... 86
9.2 Curvas experimentais das medidas de alimentos do sensor de SAW com 10 camadas de Óxido de grafeno ... 98
9.3 Curvas experimentais do teste de repetitividade do sensor de SAW com 10 camadas de Óxido de grafeno ... 130
9.4 Curvas experimentais das amostras de pão de queijo utilizadas no teste dinâmico do sensor de SAW com 10 camadas de Óxido de grafeno ... 151
1 Introdução geral
A medida de atividade de água (Aw) é muito importante para a indústria de alimentos porque esse parâmetro caracteriza a quantidade de água livre nos alimentos, que é associada à alterações químicas, microbiológicas e enzimáticas nos produtos.
Os equipamentos de medição de Aw disponíveis no mercado são muito caros e têm tempo de resposta longo, dificultando assim o uso dessa medida em diversas empresas e laboratórios.
No Brasil, o Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, localizado em Campinas, tem por missão o desenvolvimento de vários tipos de sensores e microssistemas. Dentre as suas atividades, destaca-se o desenvolvimento de diversos sensores baseados em filmes sensíveis nanoestruturados.
Especificamente em relação à medida de Aw, foi desenvolvido um sensor baseado no filme sensível de óxido de grafeno de espessura de 1-10 nm. Para garantir a sensibilidade foi usada a tecnologia de ondas acústicas superficiais (SAW). Nesse trabalho, os parâmetros desse sensor foram aprimorados para garantir o máximo de sensibilidade e velocidade de medidas.
O aprimoramento deste sensor foi concebido visando à alta precisão de medidas, o pequeno tempo de resposta, o baixo custo de fabricação e compactas dimensões podendo ser utilizado inclusive como um sensor portátil de Aw.
Este trabalho teve por objetivo a avaliação da influência de diversas formas de deposição de óxido de grafeno na propagação das ondas acústicas superficiais, e o estudo da viabilidade deste sensor para medida de Aw. Assim, uma vez determinado a melhor disposição do sensor, foi feito o modelamento matemático das funções de resposta do mesmo. Em seguida, o sensor foi calibrado com soluções salinas supersaturadas e finalmente testados com alimentos. Como padrão de comparação, foi utilizado o sensor mais tradicional do mercado (Decagon), com funcionamento baseado na medida do ponto de orvalho.
2 Objetivos
2.1 Objetivo geral
Avaliar a viabilidade de um sensor de SAW para medidas de atividade de água de alimentos
2.2 Objetivos específicos
Avaliar os modelos de tratamento de dados de curvas cinéticas típicas de sensores de SAW e determinar o modelo com melhor ajuste aos dados experimentais
Avaliar sensores com diferentes números de deposições de filmes de óxido de grafeno e determinar o qual apresenta a melhor relação entre a sensibilidade e dispersão de medidas para ser usado nas etapas do trabalho
Gerar uma curva de referência para esse sensor que possa ser usada para determinar o valor de Aw a partir de medidas da frequência do sensor de SAW Determinar a precisão do sensor em relação a um sensor comercial
Comparar o tempo de medidas entre o sensor de SAW e o sensor comercial Comparar o preço de fabricação do sensor de SAW e dos equipamentos
3 Revisão Bibliográfica
A água é um importante constituinte de todos os alimentos. Ela determina algumas de suas características como a textura, crescimento microbiológico, sabor e cor, entre outras (BUERA et al., 2006).
A vida de prateleira de um alimento é limitada por processos físicos, químicos e biológicos e todos eles são fortemente influenciados pelo teor de água dos alimentos (ESKIN; ROBINSON, 2000; KAREL; LUND, 2003).
Apesar da relação direta entre a quantidade de água presente nos alimentos e a velocidade de reações, a quantidade total de água (umidade) não é adequada para prever sua estabilidade. A medida da porção de água que influencia diretamente a velocidade dessas reações é chamada de atividade de água (KAREL; LUND, 2003).
3.1 Atividade de água
As moléculas de água podem estar presentes em diferentes ambientes em uma matriz alimentar ou substância e, por causa da interação com certas moléculas, a água pode ter diferentes propriedades físico-químicas. De acordo com o ambiente em que se encontra, a interação com os componentes do alimento e sua disponibilidade, a água nos alimentos é classificada principalmente como água livre e água de constituição (MAKAWY; EL-SAYD, 2010).
A água de constituição é a água que está quimicamente ligada às moléculas da matriz (proteínas, carboidratos e minerais), e que não está disponível para o crescimento microbiano e nem para reações químicas. Essas ligações são muito mais fortes do que ocorre entre moléculas de água pura, fazendo com que elas fiquem mais próximas umas as outras e sua estrutura fique mais densa. O aumento da densidade da água leva a alteração em suas propriedades físico-químicas, como por exemplo, aumento do ponto de ebulição e diminuição do ponto de fusão. Assim, essas moléculas de água 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 (ATHIÉ et al., 1998; MAKAWY; EL-SAYD, 2010).
A água livre se encontra nos espaços intergranulares e no interior dos poros do alimento. Ela é mantida por forças de absorção de pouca intensidade. Este tipo de água apresenta grande mobilidade e pode ser facilmente retirada durante um processo de secagem. Suas moléculas não estão ligadas a nenhum componente do alimento, assim podem ser usadas para o crescimento microbiano e também estão disponíveis para reações químicas. Por estar cercada somente por outras moléculas de água, a água livre apresenta propriedades físico-químicas muito semelhantes às da água pura, como o ponto de ebulição, ponto de fusão e densidade. Quando um produto é congelado, somente essa água se congela, ficando assim indisponível para reações (ATHIÉ et al., 1998; MAKAWY; EL-SAYD, 2010).
A atividade de água representa a quantidade de energia da água no sistema. 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:
Aw =pw
Pw0 (1),
onde, Aw – atividade de água
pw – pressão de vapor de água de um alimento no espaço vazio de um ambiente fechado a uma dada temperatura
Pw0 – pressão de vapor da água de água pura no espaço de um ambiente fechado na mesma temperatura (JARDIM, 1987; WIEDERHOLD, 1997; KAREL; LUND, 2003; RAHMAN, 2007; DECAGON, 2009; MAKAWY; EL-SAYD, 2010; SANDULACHI, 2012).
A uma temperatura constante no ambiente fechado, existe uma relação entre Aw do produto e a umidade relativa do ar em equilíbrio:
onde, ERH – umidade relativa de equilíbrio (WIEDERHOLD, 1997; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003; KAREL; LUND, 2003).
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 (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003).
Importantes aplicações da medida de Aw para a indústria de alimentos são: a escolha do processo a que o alimento será submetido, a seleção de ingredientes usados no desenvolvimento de um produto e seleção da melhor embalagem para o produto (RAHMAN, 2007).
3.1.1 Atividade de água e crescimento microbiano
A atividade de água tem grande importância para a indústria de alimentos, pois o crescimento de micro-organismos é diretamente dependente da disponibilidade de água livre. Por isso, 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. Assim, controlando esse valor, é possível evitar o crescimento de micro-organismos patógenos e deteriorantes que podem diminuir a vida de prateleira dos alimentos. Para outros alimentos que usam micro-organismos em sua produção, como a cerveja e o queijo, é necessário garantir um ambiente com Aw adequada para seu desenvolvimento (ESKIN; ROBINSON, 2000; SILVA et
al., 2010; SANDULACHI, 2012).
Cada micro-organismo precisa de uma Aw mínima para o crescimento (Tabela 1), mas a maioria das bactérias e dos micro-organismos patógenos não se desenvolvem em Aw menor que 0,86, mesmo que os outros parâmetros como pH, temperatura e disponibilidade de nutrientes sejam ideais. Os fungos e leveduras xerofílicos osmofílicos, conhecidos por se desenvolver em ambientes com baixa disponibilidade de água, geralmente não se desenvolvem em ambientes com Aw menor que 0,62 (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003; KAREL; LUND, 2003).
Tabela 1 - Atividade de água mínima necessária para o crescimento de micro-organismos e produção de toxinas (LEITÃO, 1987; ROCKLAND; BEAUCHAT,
1987; LEVINE; SLADE, 1991; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003)
Aw mínima
Bactéria Fungo Levedura Crescimento Produção de toxina 0,990 Campylobacter jejuni 0,970 Pseudomonas fluorescens 0,960 Leuconostoc spp 0,960 Pseudomonas aeruginosa 0,960 Shigela spp 0,950 Acitenobacter spp 0,95 Aeromonas spp 0,950 Bacillus megatherium 0,950 Flavobacterium spp 0,950 Moraxella sp 0,950 Vibrio cholerae 0,950 Yersinia enterocolitica 0,940 Enterobacter aerogenes 0,940 Lactobacillus plantarum 0,940 Microbacterium spp 0,940 Pediococcus cerevisiae 0,940 0,940 Stachybotrys atra 0,940 Salmonella spp 0,940 Vibrio parahaemolyticus 0,935 Escherichia coli 0,930 Bacillus stearothermophilus 0,930 Botrytis cinerea 0,930 0,940 Clostridium botulinum 0,930 Clostridium perfringens 0,930 Micrococcus luteus 0,930 Mucor plumbeus 0,930 Rhizopus nigricans 0,920 Bacillus cereus 0,920 Listeria monocytogenes 0,900 Bacillus subtilis 0,900 Lactobacillus spp 0,900 Saccharomyces cerevisiae 0,900 Trichothecium roseum
Tabela 1 - Atividade de água mínima necessária para o crescimento de micro-organismos e produção de toxinas (LEITÃO, 1987; ROCKLAND; BEAUCHAT,
1987; LEVINE; SLADE, 1991; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003) (continuação)
Aw mínima
Bactéria Fungo Levedura Crescimento Produção de toxina 0,900 0,900 Alternaria alternata 0,890 Hansenula spp 0,880 Candida spp 0,880 Rhodotorula spp 0,850 0,990 Aspergillus clavatus 0,840 Alternaria citri 0,840 Aspergillus wentii 0,840 Byssochlamys nivea 0,830 Debaryomyces hansenii 0,830 0,990 Penicillium expansum 0,830 Penicillium islandicum 0,830 0,830 Penicillium viridicatum 0,830 0,870 Staphylococcus aureus 0,820 Aspergillus fumigatus 0,820 0,870 Aspergillus parasiticus 0,810 0,870 Penicillium cyclopium 0,810 0,850 Penicillium patulum 0,810 0,850 Penicillium urticae 0,800 Penicillium citrinum 0,800 Zygosaccharomyces bailii 0,800 Saccharomyces bailii 0,790 Penicillium chrysogenum 0,790 0,990 Penicillium martensii 0,780 0,780 Aspergillus flavus 0,770 Aspergillus niger 0,770 0,830 Aspergillus ochraceus 0,760 0,810 Penicillium ochraceus 0,750 Aspergillus candidus 0,750 Aspergillus restrictus 0,75 Halobacterium halobium 0,710 Eurotium chevalieri 0,700 Eurotium amstelodami 0,620 Saccharomyces rouxii 0,610 Monascus bisporus
O crescimento microbiano é limitado pela atividade de água, e esta pode ser reduzida pela adição de um soluto. A membrana celular das bactérias é muito permeável à água, mas seletivamente permeável aos solutos. Assim, abaixando a Aw de um alimento através de processos da adição de sal ou açúcar, o micro-organismo libera água do seu interior (por osmose) para atingir o equilíbrio com o ambiente externo, fazendo com que perca sua atividade metabólica, seu crescimento seja inibido e permaneça em estado de dormência celular, podendo chegar à morte (LEITÃO, 1987; KAREL; LUND, 2003).
O valor mínimo de Aw necessário para o crescimento microbiano é alterado para mais ou para menos por fatores como mudança de pH, adição de sal, adição de agentes antimicrobianos, tratamento térmico, temperatura e tempo de estocagem (RAHMAN, 2007).
Conhecendo os valores de atividade de água em que os micro-organismos se desenvolvem, através da análise de Aw é possível definir por quais processos um alimento deve passar para estender sua conservação (SANDULACHI, 2012).
3.1.2 Atividade de água e a estabilidade dos alimentos
Além de influenciar o crescimento microbiano, a Aw também determina a estabilidade dos alimentos sendo um parâmetro importante para as reações enzimáticas, reações de oxidação, reações hidrolíticas e de escurecimento (Figura 1), influenciando assim a estabilidade nutricional, a coloração, o odor, o sabor e a textura dos alimentos (HARDMAN, 1987; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
Ao contrário do crescimento microbiano, as reações químicas e enzimáticas podem ocorrer em Aw muito baixas. As reações de escurecimento enzimático e não enzimático ocorrem acima de um valor crítico de Aw e atingem a velocidade máxima em um valor de Aw intermediário, com diminuição nos altos valores (ESKIN; ROBINSON, 2000).
Cada enzima necessita um valor de Aw mínima para que atue (Tabela 2). Conhecendo o produto e a enzima presente, é possível abaixar a Aw e prolongar sua vida de prateleira (ROCKLAND; BEAUCHAT, 1987; RAHMAN, 2007).
Figura 1: Mapa de estabilidade. Velocidade relativa de diferentes reações de acordo com a atividade de água do alimento (adaptado de TSOTSAS; MUJUMDAR, 2011).
Tabela 2 - Atividade de água mínima para reações enzimáticas em alguns alimentos (RAHMAN, 2007; DAMODARAN et al., 2010).
Produto/substrato Enzima Aw mínima Autor
Grãos Fitases 0,900 Simato, Multon (1985)
Germe de trigo Glicosídeo hidrolases 0,200 Simato, Multon (1985)
Farinha de centeio Amilases 0,750 Simato, Multon (1985)
Macarrão Fosfolipases 0,450 Simato, Multon (1985)
Massa de farinha de trigo Protease 0,960 Simato, Multon (1985)
Pão Amilases 0,360 Simato, Multon (1985)
Caseína Tripsina 0,500 Simato, Multon (1985)
Amido Amilases 0,400/0,750 Simato, Multon (1985)
Galactose Galactosidase 0,400-0,600 Simato, Multon (1985)
Azeite Lipase 0,250 Simato, Multon (1985)
Trioleína Fosfolipases 0,450 Simato, Multon (1985)
Glicose Glicose oxidase 0,400 Simato, Multon (1985)
Ácido linoleico Lipoxigenase 0,500/0,700 Simato, Multon (1985)
Lecitina Fosfolipases 0,450 Mathlouthi (1986)
Um produto com Aw em torno de 0,300 é bastante estável à reações de oxidação, reações de escurecimento e reações microbiológicas. Mas, quanto maior o valor de Aw do produto, maior a velocidade dessas reações (Figura 1) (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003)
A Aw influencia também a estabilidade de vitaminas no alimento. A degradação das vitaminas não deteriora o alimento, mas reduz seu valor nutricional. Algumas vitaminas que sofrem influência do valor de Aw do alimento são: ácido ascórbico (vitamina C), tiamina (vitamina B1) e riboflavina (vitamina B2). Cada vitamina apresenta uma faixa de valores de Aw em que é mais estável e uma faixa de valores em que sofre maior degradação. Esses valores não são facilmente determinados porque sofrem muita influência de fatores como a composição da matriz alimentar em que está presente, temperatura e pH (HARDMAN, 1987; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
3.1.3 Atividade de água e textura dos alimentos
A maior alteração física do alimento em relação a água é o aumento da plastificação e da mobilidade de moléculas quanto maior a quantidade de água. Os alimentos com baixa Aw têm textura seca e dura, os alimentos com Aw intermediária são secos, firmes ou flexíveis enquanto os alimentos com alta Aw são úmidos, macios e pegajosos (Figura 2) (KAREL; LUND, 2003; TSOTSAS; MUJUMDAR, 2011).
Figura 2: Textura dos alimentos de acordo com a atividade de água (adaptado de ROCKLAND; BEAUCHAT, 1987)
Alguns alimentos possuem valor comercial devido a sua textura firme, como os cereais matinais e os biscoitos crocantes. A baixa Aw determina essa textura e, se elevada, o alimento têm sua crocância reduzida e perde seu valor comercial (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
A atividade de água também influencia a mudança física do alimento relacionada a transição vítrea. A transição vítrea é uma mudança da fase sólido-vítreo para uma fase semi-líquido gomoso (aumento da viscosidade) que ocorre na temperatura de transição vítrea de acordo com a composição do alimento e sua atividade de água. O conhecimento da temperatura de transição vítrea de um determinado alimento em função do seu conteúdo de água é muito importante para determinar parâmetros do processamento e condições de armazenamento para manter o alimento com a textura desejada (LEITE et al., 2005).
3.2 Métodos de medidas de atividade de água
As características desejáveis para um método ou equipamento para medidas de Aw são: precisão, reprodutibilidade, velocidade, baixo custo, portabilidade, fácil uso, durabilidade, intervalo de medidas maior possível, possibilidade de uso para medir todos os tipos de produtos, ausência de risco operacional, fácil calibração e fácil checagem (TROLLER, 1978).
3.2.1 Método tradicional (método estático)
Para medir a atividade de água de uma amostra pelo método tradicional, uma amostra do alimento de 2 a 3 g é pesada em um cadinho de alumínio e colocada em um dissecador fechado em atmosfera com ERH conhecida, gerada normalmente por uma solução salina supersaturada (Figura 3) e temperatura controlada (dentro de uma estufa). As amostras são pesadas regularmente, em intervalos constantes até que o peso fique estável e, portanto, ocorra o equilíbrio entre a amostra e o ambiente. A Aw do alimento é calculada a partir da diferença entre o peso inicial e final da amostra (RAHMAN, 2009).
Figura 3 - Dessecador para medida de atividade de água pelo método tradicional (adaptado de RAHMAN, 2009)
O uso desse método para a medida de Aw nos alimentos apresenta grandes desvantagens:
- utiliza grande espaço físico;
- o processo de estabelecimento do equilíbrio pode ser muito prolongado, demorando de 3 semanas a alguns meses para que o peso da amostra se torne constante;
- o processo de abertura do dessecador para pesar a amostra pode retardar o processo de equilíbrio, fazendo com que o processo seja ainda mais demorado; - amostras com alta Aw podem apresentar crescimento microbiano durante o tempo de medida;
- as características físico-químicas do alimento podem ser alteradas durante o tempo de medida e o resultado pode não ser confiável (JARDIM, 1987; RAHMAN, 2009).
3.2.2 Método do ponto de congelamento
As características físicas e químicas do ponto de congelamento de um alimento são relacionadas à sua Aw. A temperatura em que uma solução congela é sempre menor que a temperatura que a água pura congela, por isso a relação entre essa temperatura e a Aw pode ser feita. Essa mudança no ponto de congelamento
ocorre porque quando solutos são acrescentados, a pressão de vapor do alimento diminui e o produto passa a formar cristais de gelo (ponto de congelamento) em uma temperatura menor. O ponto em que o alimento começa a congelar pode ser medido e a partir deste, o valor de Aw a 25ºC pode ser calculado (DITCHFIELD, 2000; KRESS-ROGERS; BRIMELOW, 2001).
Esse método pode ser utilizado para medir a atividade de água de produtos com alto teor de compostos voláteis, o que é uma grande vantagem, já que esses compostos dificultam a medida por métodos higrométricos. Mas, esse método só pode ser usado para medir a Aw de amostras líquidas, o que limita muito seu uso, e por isso não é muito utilizado pelas indústrias e laboratórios (LERICI, 1978; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2003).
3.2.3 Método manométrico
Para medir atividade de água pelo método manométrico, uma amostra de alimento é colocada em uma câmara fechada conectada a um manômetro. Quando a amostra entra em equilíbrio com o ambiente, a pressão parcial de vapor é medida pelo manômetro e esse valor é relacionado à Aw do produto (JARDIM, 1987).
O tempo necessário para que a amostra entre em equilíbrio com o ambiente e a medida possa ser feita é da ordem de 1 hora. Esse método apresenta alta precisão e sensibilidade, mas não pode ser utilizado para medir Aw de alimentos que tenham compostos voláteis (JARDIM, 1987; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
3.2.4 Métodos higrométricos
Os métodos de medida de Aw através de higrômetros consistem de equilibrar a água livre da amostra de alimento com o espaço livre de uma pequena câmara fechada e a medida da umidade relativa desse espaço livre. Vários métodos higrométricos são utilizados em equipamentos comerciais para medidas de Aw, como ponto de orvalho, ponto de congelamento, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, resistência elétrica e capacitância de sal (RAHMAN, 2009).
Muitos trabalhos questionam se o equilíbrio na atmosfera da câmara é realmente atingido durante o tempo de medida em amostras de baixa a média Aw. Pode acontecer de somente um estágio estacionário ser atingido e a pressão de vapor não chegue ao equilíbrio total. Mas, como a diferença entre esse pseudoequilíbrio e o equilíbrio total é em torno de 1%, pode ser considerado em equilíbrio para as medidas (RAHMAN, 2007).
3.2.4.1 Ponto de orvalho
A medida de atividade de água através do método do ponto de orvalho é feita em um ambiente fechado onde o equilíbrio termodinâmico é atingido. Como 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 momento em que as moléculas de água se condensam sobre um espelho é chamado de ponto de orvalho. O ponto de orvalho é a temperatura em que o ar sob investigação atinge o ponto de saturação do conteúdo de umidade e em que o orvalho ou geada se forma. O exato momento em que o orvalho se forma é detectado pelo sensor de refletância ótica e a temperatura da câmara é aferida pelo termômetro (Figura 4). Essa temperatura é termodinamicamente relacionada à umidade relativa do ar do espaço livre, e consequentemente proporcional ao valor de Aw (JARDIM, 1987; WROLSTAD et al., 2004; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007; RAHMAN, 2009).
Se a temperatura ambiente e do equipamento de ponto de orvalho variar 5ºC em um dia, o valor de Aw pode variar 0,01. Como essa variação é relativamente alta, é importante que a temperatura de medida seja controlada. (WROLSTAD et al., 2004).
Esse método de medidas apresenta algumas limitações para produtos que apresentam altas concentrações de componentes voláteis (como acido acético - mais de 2%, etanol - mais de 1% e propileno glicol - mais de 3,5%) que podem condensar no espelho junto com o vapor de água e alterar o resultado da medida. (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
Figura 4 - Câmara fechada de um equipamento de atividade de água de ponto de orvalho. 1 - espelho, 2 - sensor ótico, 3 - termômetro, 4 - ventilador, 5 –
amostra (WROLSTAD et al., 2004)
3.2.4.2 Higrômetros elétricos
Existem dois tipos de higrômetros elétricos no mercado, o de resistência e o eletrolítico. Os dois tipos tem o mesmo princípio de funcionamento em que um material muda sua resposta elétrica de acordo com umidade relativa à que é exposto (JARDIM, 1987; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
O higrômetro de resistência ou de condutividade se baseia na resistência de um sal higroscópico em equilíbrio em um ambiente fechado onde a amostra é exposta. Quando esse sal absorve água do alimento ou libera água para o ambiente, a sua condutância elétrica é alterada, e essa diferença é relacionada ao valor de Aw do produto (TROLLER, 1978; JARDIM, 1987).
O higrômetro eletrolítico é composto de uma câmara, um sensor e um potenciômetro. Uma corrente alternada passa pelo sensor que contem uma solução saturada de cloreto de lítio, que é um sal higroscópico. Essa solução absorve ou libera água dependendo da umidade relativa da câmara em que a amostra é exposta. A alteração da corrente é então relacionada ao valor de Aw do produto (TROLLER, 1978; JARDIM, 1987).
O tempo de equilíbrio da amostra para determinar o valor de Aw varia de 15 minutos a 24 horas dependendo da faixa de Aw a ser testada, do alimento, do equilíbrio do vapor e do equilíbrio térmico (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
As maiores desvantagens desse método de medida é o alto custo do equipamento, a tendência de contaminação das soluções salinas por moléculas polares e por compostos voláteis, que pode causar erros de medidas, e o envelhecimento do higrômetro que pode levar a mudanças físicas e químicas e alteração dos resultados (TROLLER, 1978).
3.2.4.3 Higrômetro de cabelo
O funcionamento do higrômetro de cabelo para fazer medidas de umidade relativa e atividade de água é baseado na característica que os fios de cabelo têm de absorver moléculas de água do ambiente e se alongar. Uma das extremidades de alguns fios de cabelo é presa em um ponto fixo e a outra é colocada em um braço móvel que é preso a um ponteiro. Esse braço móvel estica os fios dentro de uma câmara fechada onde a amostra é exposta. Dependendo de sua flexibilidade é determinado o valor de Aw (TROLLER, 1978; JARDIM, 1987; BARBOSA-CÁNOVAS
et al., 2007).
Higrômetros de cabelo modernos substituem o fio de cabelo por fios de poliamida e são chamados de higrômetros de fibra-dimensional. Apesar da tecnologia desses sensores ter evoluído, o tempo necessário para a medida continua o mesmo, em torno de 3 horas e tem sensibilidade baixa. Uma das vantagens desse método é que ele pode ser usado para fazer medidas de alimentos que tem componentes voláteis, pois a medida não sofre grandes interferências por esses componentes (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007)
3.3 Atividade de água e temperatura
Durante a medida de atividade de água, atenção particular deve ser dada a temperatura em que é feita. Alterações na temperatura durante a medida entre a câmara de medida, o sensor e o alimento podem causar erros no resultado, sendo que, quanto maior a Aw do produto, maior o erro (KRESS-ROGERS; BRIMELOW, 2001).
A mudança da temperatura de um produto leva à mudanças em sua pressão de vapor, a transferência de umidade e alteração na atividade de água.
Além disso, se uma amostra com temperatura mais alta que o ambiente é colocada na câmara fechada, pode ocorrer a condensação de água nas paredes e na parte sensível de medidas e o valor de Aw será incorreto (TROLLER, 1978; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
O valor de atividade de água de uma amostra pode variar até 0,002 por ºC. Para minimizar essa variação, muitas normas e regulamentos que requerem a medida de Aw, determinam que temperatura deve ser estabilizada em, geralmente, 25ºC (WROLSTAD et al., 2004).
3.4 A medida de Aw na indústria
Além da indústria de alimentos, outros setores também utilizam o parâmetro de Aw em seus processos. Na área da agricultura, a medida da Aw durante a estocagem de sementes é muito importante, já que não deve ser muito baixa para que elas não percam a viabilidade e não deve ser muito alta para que não deteriorem ou germinem precocemente. Os valores ideais de Aw para a estocagem variam de acordo com o tipo de semente, já que cada um tem uma composição diferente (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
A atividade de água tem grande importância na indústria farmacêutica para o controle da dosagem de substâncias, da sua textura e da vida de prateleira dos produtos (evitando reações de degradação e contaminação microbiológica). Sabendo a Aw é possível prever se uma substância se dissolve em outra, avaliar a estabilidade de medicamentos dentro de cápsulas e avaliar a estabilidade de embalagens (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
A medida de atividade de água também é utilizada no controle de qualidade da indústria de papel para garantir uma secagem ideal e evitar problemas como a deformação no produto final e a não absorção da tinta de impressão (ROTRONIC, 2001).
3.5 Equipamentos comerciais
Na Tabela 3 estão descritos os principais equipamentos do mercado que medem Aw, método de medidas, qual faixa de medida abrangem, o tempo de leitura e o preço.
Tabela 3: descrição de características e preço dos principais equipamentos de atividade de água existentes no mercado (DECAGON, 2007, 2014a, 2014b, 2014c;
GETROTECH, 2014; NOVASINA, 2014; ROTRONINC, 2014)
Equipamento Marca Foto Método
Faixa de leitura Precisão Tempo de leitura Preço (R$)* Preço (US$)** HygroPalm HP23-AW-A Rotronic ponto de orvalho 0 a 1,000 0,008 4 a 5 minutos 5115,75 2950.00 Aqualab Pré cap Decagon higrômetro eletrônico 0,050 a 1,000 0,01 5 minutos 30000,00 -
Aqualab 3TE Decagon ponto de
orvalho
0,005 a
1,000 0,003
5
minutos - 8000.00
Aqualab 4TE Decagon
higrômetro eletrônico e ponto de orvalho 0,030 a 1,000 0,003 2,5 a 5 minutos 50000,00 10834.00
Pawkit Decagon higrômetro
eletrônico
0 a
1,000 0,02
5
minutos 12000,00 1995.00
LabMaster Novasina higrômetro
eletrônico
0,030 a
1,000 0,002 - 39190,00 8000.00
LabSwift Novasina higrômetro
eletrônico
0,03 a
1,000 0,003 - 11490,00 4503.00
* - valores cotados no segundo semestre de 2014 ** - valores cotados no segundo semestre de 2015
Os equipamentos de Aw mais utilizados no mercado são os Aqualab, que utilizam o método de ponto de orvalho, e os equipamentos Novasina que utilizam
higrômetros eletrônicos como método de medidas. Apesar de serem os equipamentos com melhor custo benefício disponíveis no mercado, apresentam desvantagens significativas: o alto custo de compra e manutenção (que dificulta seu uso por uma grande parcela de indústrias), o elevado tempo de resposta para alguns alimentos, e o fato do equipamento não medir a atividade de água de alguns alimentos (por exemplo, que possuem substâncias voláteis) (DITCHFIELD, 2000).
3.6 Padrões de atividade de água
Independente de qual equipamento é usado para medir a atividade de água de um alimento, é importante que ele esteja calibrado e tenha sua calibração verificada para garantir resultados confiáveis e precisão. Para isso, soluções salinas saturadas são ótimas escolhas devido a sua facilidade de preparo, estabilidade e ampla variação de Aw (BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
Para produzir as soluções salinas saturadas, o sal deve ser colocado em um recipiente e a água adicionada em pequenas quantidades, mexendo com uma espátula a cada adição. Mais água deve ser adicionada até que a solução tenha duas fases: o corpo de fundo e um líquido límpido na superfície. As soluções devem ser armazenadas a temperatura ambiente em um recipiente bem fechado, evitando o ganho ou a perda de água (WROLSTAD et al., 2004; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007).
A água utilizada para produção de soluções-padrão de Aw deve ser sempre destilada ou deionizada para garantir que a solução atinja o valor correto (WROLSTAD et al., 2004).
Os valores de Aw das amostras-padrão formadas por soluções salinas saturadas e água pura, encontrados na literatura, estão descritos na Tabela 4. Os valores de Aw de cada amostra podem apresentar alguma diferença de acordo com cada autor.
Tabela 4 – Atividade de água a 25ºC de soluções salinas saturadas e água pura usadas como padrão de atividade de água
Substância - sigla ANJOS et al., 2008 BARBOSA - CÁNOVAS et al., 2007 DOWNES; ITO, 2001 MEDEIROS, 2006 Água - H2O 1,000 0,003 - - -
Cromato de Potássio - K2CrO4 - 0,979 0,005 - -
Sulfato de Potássio - K2SO4 - 0,973 0,005 0,973 0,004 -
Nitrato de Potássio - KNO3 0,926 0,001 0,936 0,006 0,935 0,005 0,925
Cloreto de Bário - BaCl2 0,903 0,001 - - -
Nitrato de Estrôncio - SrNO3 - 0,851 0,004 - -
Cloreto de Potássio - KCl 0,843 0,003 0,843 0,003 0,843 0,002 0,850
Tartarato de Sódio - Tartarato Na - - - -
Sulfato de Amônio - (NH4) 2SO4 - 0,810 0,003 - -
Brometo de Potássio - KBr 0,808 0,210 0,809 0,002 0,808 0,002 -
Cloreto de Amônio - NH4Cl - 0,786 0,004 - -
Cloreto de Sódio - NaCl 0,753 0,001 0,753 0,001 0,752 0,001 0,751
Nitrato de Sódio - NaNO3 - 0,743 0,003 0,742 0,003 -
Cloreto de Estrôncio - SrCl2 - 0,709 0,001 - -
Iodeto de Potássio - KI - 0,689 0,002 - -
Cloreto de Cobalto - CoCl2 - 0,649 0,035 - -
Nitrato de Amônio - NH4NO3 - - - 0,625
Brometo de Sódio - NaBr - 0,576 0,004 0,575 0,004 -
Nitrato de Magnésio - Mg(NO3)2 - 0,529 0,002 0,528 0,002 -
Nitrato de Cálcio - Ca(NO3)2 - - - 0,522
Carbonato de Potássio - K2CO3 - 0,432 0,004 0,431 0,003 0,430
Iodeto de Sódio - NaI - 0,382 0,005 - -
Cloreto de Magnésio - MgCl2 0,328 0,002 0,328 0,002 0,327 0,001 0,325
Fluoreto de Potássio - KF - 0,308 0,013 - -
Acetato de Potássio - KAc - 0,225 0,003 0,225 0,003 0,230
Iodeto de Lítio - LiI - 0,176 0,001 - -
Brometo de Cálcio - CaBr2 - 0,165 0,002 - -
Cloreto de Lítio - LiCl 0,113 0,270 0,113 0,003 0,113 0,002 0,120
Hidróxido de Sódio - NaOH - 0,082 0,021 - -
Hidróxido de Potássio - KOH - 0,082 0,007 - 0,080
Brometo de Zinco - ZnBr2 - 0,078 0,004 - -
Brometo de Lítio - LiBr - 0,064 0,005 0,063 0,005 -
Cloreto de Zinco - ZnCl2 - - - 0,055
Fluoreto de Césio - CsF - 0,034 0,009 - -
3.7 Sensores de ondas acústicas superficiais
As ondas acústicas superficiais (SAW) são uma classe de ondas que se propagam pela superfície de um corpo sólido. Em geral, elas podem se propagar em qualquer tipo de sólido (dielétricos, metais, cristais, etc...), mas o caso mais usado na prática é a propagação da SAW pela superfície de um cristal piezoelétrico. Para excitar uma SAW na superfície de um cristal deste tipo é usado efeito piezoelétrico reverso. Ele é usado no seguinte sentido: um sinal elétrico de radio frequências (RF) é aplicado na superfície de um cristal piezoelétrico. Os campos elétricos que este sinal gera provocam distorções mecânicas (efeito piezoelétrico reverso) que se propagam pela superfície. No caso de um sinal de RF, o campo elétrico é periódico no domínio do tempo que gera como resultado uma onda plana. O perfil típico desta onda é mostrado na Figura 5 (MORGAN, 2007).
Figura 5 - Perfil típico de uma onda SAW que mostra as velocidades de cada ponto de um cristal. As direções das setas correspondem a direção de movimento de regiões locais do cristal. O comprimento de setas corresponde o valor de velocidade.
A espessura do cristal é considerada infinita (MORGAN, 2007).
Como observado na Figura 5, a intensidade da onda cai muito rápido dentro do cristal o que significa que toda energia do sinal é concentrada na camada fina da superfície. Este confinamento de energia na camada muito fina explica o fato que as ondas superficiais são muito sensíveis a fatores externos. Esta propriedade é usada para construir um sensor de SAW (MORGAN, 2007).
3.7.1 Princípio de funcionamento
Um sensor de SAW é uma linha de atraso cujo funcionamento é baseado em efeito de piezoeletricidade. Um sensor típico é mostrado na Figura 6. Seu transdutor de entrada transforma um sinal elétrico de radiofrequência em uma onda acústica que se propaga na direção do transdutor de saída. O transdutor de saída transforma o sinal acústico em sinal elétrico de alta frequência assim fechando o círculo de tratamento de sinal pelo dispositivo. A área entre transdutores (área ativa) normalmente é coberta com um filme sensível. O tempo de propagação de onda acústica do transdutor de entrada até o transdutor de saída depende da distância entre transdutores e da velocidade da onda. Uma das maneiras mais fáceis de medir este tempo de propagação e sua fase correspondente é transformar o tempo em frequência colocando a linha de atraso de SAW em uma malha de realimentação de um oscilador. Neste caso o tempo de propagação é transformado em frequência de oscilação do oscilador e pode ser medido usando, por exemplo, os contadores padrões de frequência (HE et al., 2009).
Figura 6: Estrutura de um sensor de ondas acústicas superficiais (adaptado de ARSHAK et al., 2004).
A possibilidade da linha de atraso funcionar como um sensor é baseada no fato de que a velocidade de SAW depende da densidade do filme sensível. Pode ser provado que o aumento da densidade causa diminuição da velocidade
(RUPPEL; FJELDLY, 2000). Para a maioria dos filmes sensíveis, a densidade das moléculas do analito adsorvidos depende de densidade do analito em fase gasosa que entra em contado com o filme. As moléculas adsorvidas mudam a densidade total do filme que causa a mudança do tempo de propagação da SAW e que é registrada através de medidas de mudança de frequência de oscilação de um oscilador (MORGAN, 2007).
Para sensores de umidade e Aw, o filme de óxido de grafeno depositado entre transdutores faz o papel do filme sensível que adsorve as moléculas de água da atmosfera. Em filmes de óxido de grafeno, as moléculas estão ligadas pelo filme por forças de Wan der Waals. Este tipo de força gera adsorção física de moléculas pela superfície e o sistema ao atingir o equilíbrio termodinâmico tem densidade de moléculas adsorvidas em equilibro com a umidade relativa do ar. Devido às ligações das forças de adsorção serem fracas, o tempo de estabelecimento de equilíbrio é muito curto (menos de um segundo) que torna este sensor um dos mais rápidos (BALASHOV et al., 2014).
3.7.2 Deposição de filmes sensíveis de óxido de grafeno
O óxido de grafeno é um derivado do grafite (o grafeno), produzido através de um processo de oxidação que cria grupos funcionais de C=O e C–OH (hidroxila) de cada lado da folha de carbono e carboxilas e suas bordas (Figura 7) (LERF et al., 1998; YAO et al., 2011).
Figura 7 - Estrutura química do óxido de grafeno (YAO et al., 2011)
Por ser um material rico em oxigênio livre, o óxido de grafeno é muito hidrofílico e capaz de adsorver grande quantidade de água quando exposto a
atmosfera (STANKOVICH et al., 2006; BARROSO-BUJANS et al., 2010). Além disso, pode ser utilizado para formar suspensões em água e depositado em superfícies sensíveis, fazendo desse material um ótimo candidato para filmes sensíveis de sensores de umidade relativa (EDA; CHHOWALLA, 2010).
SCHEDIN et al. (2007), BARROSO-BUJANS et al. (2010), YAO et al. (2011), ZHAO et al. (2011) estudaram o uso de filmes sensíveis de óxido de grafeno para sensores de umidade. Todos os trabalhos mostraram que esse filme teve excelente sensibilidade às moléculas de água.
As suspensões de óxido de grafeno são estáveis a temperatura ambiente e podem ser usadas para a deposição de filmes finos via spray. Para minimizar o tempo de resposta do sensor, o filme sensível deve ser o mais fino possível, o que determina o tipo de spray a ser usado para a deposição (EDA; CHHOWALLA, 2010; BALASHOV et al., 2014).
Nos últimos anos foi desenvolvido um método para obtenção de spray digital que utiliza quantidades muito pequenas de suspenção de óxido de grafeno para gerar jatos de gotículas minúsculas da suspenção. O processo é ultrassônico e nele são usados os pulsos de RF para nebulizar as gotas microlitricas. Utilizando esse método, o processo de deposição de filme consiste em uma série de deposições, cada uma com uma camada ultrafina (espessura de 2-5 nm) de óxido de grafeno na superfície de uma amostra. Os parâmetros do processo de deposição permitem um controle rigoroso sobre a espessura e o espalhamento do óxido de grafeno sobre superfície. Os filmes obtidos com outros métodos de deposição que usam gotículas maiores apresentam efeito de “coffe ring” que é determinado pela convecção do líquido dentro da gotícula durante o processo de secagem. Essa convecção leva material diluído na gotícula para as bordas formando circulos com maior densidade de material (“coffe ring”) que pode ser observado por exemplo durante a secagem de gotículas de café que deu nome ao efeito. Os filmes obtidos com o método de atomização não sofrem a infuência de efeito de “coffe ring” e apresentam uma boa uniformidade e aderência (BALASHOV et al., 2014).
3.7.3 Sensores de SAW para medidas de atividade de água
Os sensores de SAW são amplamente utilizados para medir a umidade relativa do ar (CALIENDO et al., 1997; PENZA; ANISIMKIN, 1999; PENZA; CASSANO, 2000; WU et al., 2008; BUVAILO et al., 2011).
Expondo esses sensores a padrões que geram diferentes valores de ERH e utilizando a resposta gerada, é possível obter uma curva de calibração que permite que o sensor seja utilizado para a determinação de ERH de outras amostras (PENZA; ANISIMKIN, 1999; PENZA; CASSANO, 2000). Uma curva típica de calibração de um sensor SAW é mostrada na Figura 8.
Figura 8 - Uma curva típica de calibração de um sensor de SAW com diferentes umidades relativas (ZHAO et al., 2011)
Como a Aw de um produto pode ser medida através da umidade relativa de equilíbrio em um ambiente fechado, utilizando um sensor SAW para medir essa umidade é possível calcular o valor de Aw da amostra (WIEDERHOLD, 1997).
4 Material e Métodos
4.1 Dispositivo de SAW
A parte sensível do sensor de SAW utilizado foi fabricada no Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI) utilizando a técnica de fotolitografia tradicional a partir de uma lâmina de quartzo. Foi usado um filme de alumínio de 2500 Å de espessura para gravação do circuito de SAW.
O dispositivo de SAW mede 1,8 x 11,5mm com parte sensível de quartzo (Figura 9). Ele é colado e microssoldado a uma cápsula, que é conectada a uma placa de RF.
Figura 9 - Sensor de SAW
4.2 Sensor de SAW
O sensor é composto por uma placa de RF que tem dois canais: um canal de referência e outro de medidas (Figura 10). Essa placa é fixada dentro de uma caixa de metal que isola os componentes e tem entrada para a fonte de energia e saída para um contador de frequência.
Uma tampa plástica é fixada na caixa metálica através de parafusos. Um ambiente fechado é formado por um recipiente plástico com amostra encaixado a essa tampa. O sensor de SAW mede a pressão parcial do vapor de água desse ambiente (Figura 11).
Figura 10: Fotos da caixa do sensor. a) vista da frente - placa com componentes eletrônicos colocada na caixa de metal com dispositivo de SAW em uma câmara fechada (canal de referência - seta). b) vista do verso - placa encaixada na caixa de
metal com o dispositivo de SAW exposto ao ambiente (canal de medidas - seta).
Figura 11: Caixa do sensor (a) com recipiente plástico acoplado (b)
4.3 Equipamentos necessários
O diagrama de blocos do processo de medição de Aw usando o sensor de SAW é mostrado na Figura 12. Uma fonte de alimentação com 13V é ligada ao sensor. O sensor é ligado a um contador de frequência que mede a frequência diferencial dos dois canais de SAW e passa os valores medidos para um computador que salva os dados.
a)
b)
b) a)
Figura 12 - Esquema de equipamentos necessários para fazer medidas no sensor de SAW
A Figura 13 mostra uma foto de todos os equipamentos ligados e prontos para fazer medidas de Aw. A fonte utilizada é da marca Minipa modelo MPM 3503 e o contador de frequência é da marca Agillent modelo 53220A.
Figura 13 - Sensor SAW (a) ligado à fonte (b), contador de frequência (c) e computador (d)
Para o registro das medidas da frequência foi utilizado um software desenvolvido no CTI Renato Archer utilizando o programa LabView.
4.4 Processo de medidas
Para começar o processo de medidas e garantir que os componentes eletrônicos se aqueçam, minimizando a influência da mudança de temperatura durante as medidas, o sensor sempre foi ligado por pelo menos 20 minutos antes de começar o processo de medidas.
Para manter a câmara fechada sempre com o mesmo nível de umidade do ar, antes de começar as medidas das amostras, um recipiente com sílica gel foi exposto ao sensor por um período de no mínimo 10 minutos. A sílica gel adsorve moléculas de água e sua Aw medida pelo equipamento Decagon foi sempre <0,005. Para garantir a qualidade, a sílica gel utilizada para todos os experimentos (marca Synth) foi trocada diariamente.
Após os 10 minutos, o recipiente com sílica foi substituído pelo recipiente com 4 gramas de amostra e o processo de medida de Aw iniciava-se. As etapas de processo de medida são mostradas na Figura 14.
Para as medidas com o sensor, uma amostra com o volume de 4ml (amostra líquida) ou 4g (amostra sólida) foi colocada em um recipiente de plástico inerte. As dimensões do recipiente correspondem à medida do recipiente dos equipamentos utilizados para a medida de Aw de alimentos (diâmetro de 40 mm e altura de 11 mm). Este recipiente foi encaixado à tampa plástica presa na caixa do sensor, assim formando um ambiente fechado, onde a amostra libera água formando um ambiente com umidade relativa de equilíbrio (Figura 14a). As moléculas de água se ligam ao filme sensível do sensor mudando sua densidade. A frequência de resposta do sensor então sofre mudanças. O computador registra as frequências medidas pelo contador de frequência a cada segundo gerando no final uma curva dinâmica até que o equilíbrio é observado. O equilíbrio corresponde ao equilíbrio atingido pelo vapor de água no espaço vazio do recipiente com a água livre da amostra (Figura 14b).
Figura 14 - Etapas do processo de medidas a)primeira etapa - o recipiente é encaixado na caixa do sensor, b) segunda etapa - o recipiente fica fechado para que
a amostra atinja o equilíbrio, c) terceira etapa - a amostra é retirada da caixa do sensor. No centro – uma típica curva cinética de adsorção
O volume do espaço livre no recipiente e a área externa da amostra (que está em contado com o espaço livre) são parâmetros importantes que influenciam a velocidade de liberação de água da amostra (fator α). Durante todas as medidas, esses parâmetros foram mantidos o mais próximo possível. Apesar de influenciar o fator velocidade (fator α), o volume e área da amostra não interferem no valor de amplitude de saturação da amostra que corresponde ao valor de Aw.
As mudanças típicas da frequência de sensor correspondem no mínimo a centenas de Hertz para produtos com valor de Aw muito baixa e KiloHertz para produtos com alta Aw. Por isso foi definido que quando a velocidade da mudança da frequência atinge valor na ordem de 1 Hz/seg o sistema entra em estado de equilíbrio termodinâmico e os parâmetros da curva podem ser extraídos para calcular o valor que corresponde a Aw de produto.
O tempo necessário para que o sistema atinja o equilíbrio termodinâmico varia para cada amostra. Mas, para obter muitos pontos experimentais e garantir
que atingiram o equilíbrio, o tempo que a amostra foi exposta ao sensor foi de 10 minutos (tempo suficiente para o sistema atingir a saturação) e então foi retirada.
Depois que a amostra foi retirada, o recipiente com sílica gel foi novamente colocado para o sensor voltar para estado inicial de medidas (Figura 14c).
Para cada amostra foram feitas 3 medidas para assim ser possível calcular a media e desvio padrão.
4.5 Preparo de soluções-padrão
Para calibrar o sensor e fazer os testes de repetitividade de respostas, foram usadas soluções salinas supersaturadas e duas substâncias puras como padrões. Todos os padrões, as marcas utilizadas e Aw descritas na literatura estão na Tabela 5.
Tabela 5 - Amostras-padrão preparadas para as medidas com o sensor de SAW e Aw esperada a 25ºC (MEDEIROS, 2006; BARBOSA-CÁNOVAS et al., 2007; ANJOS
et al., 2008)
Amostra-padrão Marca Aw esperada
Água – H2O - 1,000
sulfato de potássio - K2SO4 Synth 0,973
nitrato de potássio - KNO3 Synth 0,936
cloreto de potássio – KCl Synth 0,843
cloreto de sódio – NaCl Synth 0,753
iodeto de potássio – KI Synth 0,689
nitrato de magnésio - Mg(NO3)2 Vetec 0,529
carbonato de potássio - K2CO3 Synth 0,432
cloreto de magnésio - MgCl2 Synth 0,328
fluoreto de potássio – KF Synth 0,308
acetato de potássio - KAc Synth 0,225
cloreto de zinco - ZnCl2 Dinamica 0,055
Sílica gel - < 0,005
Estas soluções foram escolhidas porque abrangem toda a faixa de Aw, gerando assim uma curva de referência com maior número de pontos. A
