importância da determinação da humidade nos alimentos
razões legais e de rotulagem
motivos económicos
água é um ingrediente barato
estabilidade microbiana
qualidade alimentar
textura, sabor, aspecto e estabilidade
operações de processamento
mistura, secagem, bombagem, embalagem
1
teor em humidade de um alimento
% humidade =
mw
x 100
mam
mw – peso da água
mam – peso da amostra
peso da água relacionado com o nº de moléculas (nW)
mw =
nw M w
NA
Mw – peso molecular da água
NA – nº de Avogadro (6.02x1023 moléculas/mol)
teor em humidade de um alimento
pode ser determinado por pesagem da massa de moléculas de
água presentes numa massa conhecida de amostra
método tem dificuldades e limitações de aplicação rigorosa
desenvolvimento de métodos alternativos baseado em outras
propriedades da água presente nos alimentos
importância da estrutura dipolar e da capacidade de
formar pontes de H
preferência por métodos que determinam humidade em excesso
(decomposição de componentes orgânicos e volatilização de
compostos voláteis)
2
teor em humidade de um alimento
características da água utilizadas para determinação da
humidade:
ponto de ebulição relativamente baixo
polaridade elevada
capacidade de reagir de forma específica com outros
compostos químicos
espectro de absorção característico
propriedades físicas características
densidade
compressibilidade
condutividade eléctrica
índice de refracção
3
moléculas de água podem estar presentes num alimento em
diferentes ambientes moleculares
água livre
cada molécula está rodeada apenas por outras moléculas de
água
propriedades físico-químicas iguais às da água pura
ponto de fusão
ponto de ebulição
densidade
compressibilidade
calor de vaporização
espectro de absorção
ambientes moleculares
água em capilares
água retida em canais estreitos formdos entre componentes
do alimento
retida por capilaridade
água retida
em espaços rodeados por barreiras físicas
célula, gota numa emulsão, ...
maioria da água nestas formas envolvida em ligações com
outras moléculas de água
propriedades semelhantes às da água livre
4
ambientes moleculares
água fisicamente ligada
em contacto molecular com outros constituintes do alimento
proteínas
hidratos de carbono
sais minerais
propriedades diferentes daquelas da água livre
ambientes moleculares
água quimicamente ligada
como água de cristalização ou sob a forma de hidratos
NaSO4.10H2O
ligações mais fortes que aquelas entre moléculas de água
propriedades físico-químicas muito diferentes daquelas
da água livre
ponto de fusão mais baixo
ponto de ebulição mais alto
maior densidade
menor compressibilidade
calor de vaporização mais elevado
espectro de absorção diferente
5
nos alimentos, água pode estar sob forma:
sólida
líquida
gasosa
frequentemente, mais interessante determinar água em apenas uma
das formas ou ambiente molecular que água total
mais relevente para crescimento microbiano
relevante para processamento do alimento
...
diversas técnicas analíticas permitem determinar a fracção relativa de
água em diferentes ambientes moleculares
apenas água livre rigorosamente medida em todos os métodos
resultados de teor de humidade devem vir acompanhados da
indicação do método e das condições
6
preparação da amostra
impedir perca ou ganho de água
minimizar exposição à atmosfera
evitar flutuações de temperatura
quando a amostra estiver contida num recipiente
minimizar o espaço de cabeça
minimizar perca por fricção durante a trituração
Métodos por evaporação
medição da massa de água numa massa conhecida de amostra
medição da massa do alimento antes e depois da remoção da
água por evaporação
ponto de ebulição da água inferior ao da maioria dos outros
constituintes dos alimentos
% humidade =
M inicial - M seca
x 100
M inicial
Minicial – massa da amostra antes da secagem
Mseca – massa da amostra após secagem
7
Métodos por evaporação
sólidos totais
parâmetro relacionado
medida da quantidade de material restante após evaporação
da água
% sólidos totais =
M seca
x 100
M inicial
% sólidos totais = 100 - % humidade
Métodos por evaporação
para obter medições rigorosas
necessária remoção completa da água, sem alterar a massa
do alimento
difícil
temperaturas elevadas ou tempos longos podem
alterar massa do alimento
alterações químicas ou volatilização
condições de trabalho padronizadas relativamente à
temperatura e tempo
8
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de convecção e de circulação forçada
amostra pesada e colocada na estufa durante um
determinado período a uma temperatura fixa
massa seca determinada
OU
amostra seca até alcançar uma massa constante
energia aplicada directamente na amostra através do
tabuleiro e do ar circundante
nas estufas de convecção são frequentes as variações de
temperatura
uso de estufas de circulação forçada
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de convecção e de circulação forçada
não adequadas para secagem de alimentos com teores
elevados de hidratos de carbono
podem sofrer reacções químicas
não adequadas para alimentos que contenham outros
compostos voláteis, para além da água
9
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de vácuo
amostra pesada e colocada numa estufa a pressão reduzida,
durante um determinado período de tempo a uma
temperatura fixa
3.33 – 13.33 kPa
determina-se peso seco
energia é directamente aplicada na amostra através do
tabuleiro metálico
humidade libertada é retirada para fora da estufa por
tubagens
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de vácuo
sob vácuo, ponto de ebulição da água é reduzido
evaporação mais rápida ou possibilidade de utilizar
temperatura mais baixa
minimiza degradação
10
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de micro-ondas
amostra pesada e colocada numa estufa durante um
determinado período a uma certa potência
determina-se peso seco
alternativamente, amostra seca até alcançar peso constante
existem estufas equipadas com balanças
vantagens:
uso fácil e rápido
necessário padronizar o procedimento e assegurar
aquecimento uniforme da amostra
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de micro-ondas
amostra misturada com NaCl e óxido de ferro
NaCl impede que amostra salpique para fora do
recipiente
óxido de ferro absorve fortemente radiação e acelera
secagem
11
Métodos por evaporação
Equipamento
estufas de micro-ondas
Métodos por evaporação
Equipamento
lâmpadas de IV
amostra colocada sob lâmpada de IV
regista-se variação de peso em função do tempo
método rápido (10 – 25 min) e barato
frequentemente usado na indústria
para haver reprodutibilidade:
controlo da distância entre a lâmpada e a amostra e das
dimensões da amostra
padronização difícil
método não oficialmente reconhecido
12
Métodos por evaporação
dimensões da amostra
velocidade e extensão da remoção de água dependem de:
tamanho da amostra
forma da amostra
grau de trituração da amostra
quanto maior a superfície exposta, mais rápida a
evaporação
Métodos por evaporação
formação de crosta e aglomeração
algumas amostras tendem a aglomerar ou a formar uma crosta
semi-permeável durante a evaporação
resultados falsos e não reprodutíveis
amostra misturada com areia seca impede formação de crosta e
aglomeração
13
Métodos por evaporação
aumento do ponto de ebulição
na presença de solutos, ponto de ebulição da água aumenta
diminuição da pressão parcial de vapor
necessário atingir temperatura mais alta para que a
pressão de vapor do sistema iguale a atmosférica
perca de água mais lenta
ponto de ebulição da água na presença de solutos:
Tb = T0 + 0.51 m
Tb – p. e. da água com solutos
T0 – p. e. da água pura
m – molalidade do soluto (mol/kg solvente)
Métodos por evaporação
tipo de água
água interage com outros componentes da amostra
água livre facilmente removida por evaporação
condições mais extremas necessárias para remover água
ligada química ou fisicamente
podem conduzir à degradação de outros ingredientes
14
Métodos por evaporação
decomposição de outros componentes
temperatura muito elevada ou demasiado tempo de operação
decomposição de componentes termosensíveis
alteração no peso da amostra
erros na determinação da humidade
ex:
decomposição de hidratos de carbono
C6H12O6
6C + 6H2O
água libertada na reacção não é aquela que se pretende
determinar
sobrestimação do valor real
Métodos por evaporação
decomposição de outros componentes
reacções químicas que ocorrem a temperatura elevada originam
absorção de água
ex:
hidrólise da sacarose
sacarose + H2O
frutose + glucose
subestimação do valor real
alimentos susceptíveis a termodecomposição analisados por
outros métodos
físicos ou químicos
15
Métodos por evaporação
volatilização de outros componentes
outros compostos voláteis perdidos durante aquecimento
aromas, sabores
ácidos acético, propiónico e butírico
álcoois, ésteres, aldeídos
na maioria dos alimentos existem em pequenos teores
perca ignorada
alguns alimentos possuem quantidades significativas
especiarias, ...
métodos alternativos
físicos, químicos, destilação
Métodos por evaporação
amostras com elevados teores de humidade
secas em 2 fases
impedir que salpique e provoque acumulação de humidade
na estufa
água arrasta outros componentes
maior eficácia do processo
16
Métodos por evaporação
variações de temperatura e potência
existem variações no interior da aparelhagem
eficácia da secagem dpende da localização da amostra no
interior do equipamento
necessário minimizar as variações
construção do equipamento e procedimento
operacional
Métodos por evaporação
recipientes para amostra
utilização de recipientes apropriados
podem ter tampa ou não
recomendada utilização de descartáveis, sempre que possível
manipulação correcta dos recipientes
recipientes de alumínio são baratos e bons condutores
térmicos
devem ser manejados com pinças
impressões digitais contribuem para peso
recipientes devem ser secos numa estufa e guardados em
exsicador antes de utilizar
17
Métodos por evaporação
vantagens:
precisão
baixo preço
facilidade de utilização
métodos oficiais para muitas aplicações
possibilidade de analisar simultaneamente diversas amostras
desvantagens:
destrutivos
não utilizável em alguns alimentos
lentos
Métodos por evaporação
equipamento para análises rápidas
balanças digitais com aquecimento
amostra colocada num recipiente de alumínio ou num papel
de filtro
aquecida por programa de aquecimento controlado
aparelho regista automaticamente variação de peso
teor de humidade
teor de sólidos
resultados em poucos minutos
utilização industrial e em laboratório
método não oficial
resultados comparáveis aos dos métodos de referência
18
Métodos por evaporação
ex:
determinação em estufa comum
secar cadinhos e tampas
30 min, estufa a 130 ºC
arrefecer no exsicador
pesar
adicionar ~2 g de amostra
pesar
preparar duplicado nas mesmas condições
colocar cadinhos (tampa ao lado) na estufa
6 – 7 h, 130 ºC
tirar cadinhos da estufa e tapar
evitar absorção de humidade
Métodos por evaporação
ex:
arrefecer no exsicador
15 – 20 min
pesar e recolocar na estufa
30 min
arrefecer no exsicador e pesar
se peso constante, fazer cálculos
se peso variar, repetir procedimento de secagem na
estufa até peso constante
19
Métodos por destilação
medição directa do teor de água removida por evaporação
aquecimento de uma amostra previamente pesada (Minicial) na
presença de um solvente orgânico, imiscível com a
água
água da amostra evapora e é recolhida num tubo
graduado
determinação do peso (Mágua)
% humidade =
M água
M inicial
x 100
Métodos por destilação
2 métodos possíveis
destilação directa
solventes imiscíveis de ponto de ebulição superior ao da água
amostra aquecida no solvente
destilação com refluxo
mais usada
tolueno mais usado
20
Métodos por destilação
ex:
método de Dean e Stark
amostra de peso conhecido colocada num balão junto com
um solvente orgânico
xileno ou tolueno
insolúvel em água
p. e. superior ao da água
menos denso que a água
seguro
balão ligado a um condensador
Métodos por destilação
ex:
método de Dean e Stark
balão é aquecido
água contida na amostra evapora
arrefecida e condensada no condensador
pinga para o tubo graduado
destilação parada quando não se recolhe mais água no tubo
lê-se volume de água no tubo
21
Métodos por destilação
ex:
método de Bidwell-Sterling
destilação com refluxo e um solvente menos denso que a
água
tolueno
tolueno entra em ebulição
forma emulsão com a água, na forma de vapor
emulsão condensa
emulsão inverte e torna-se tolueno disperso em água
ao arrefecer, turvação desaparece
Métodos por destilação
factores que podem conduzir a falsos resultados:
podem formar-se emulsões entre a água e o solvente
difícil separação
gotículas de água podem aderir às paredes de vidro
pode ocorrer decomposição de amostras termosensíveis
22
Métodos por destilação
vantagens:
aplicável a alimentos com baixo teor de humidade
aplicável a alimentos com óleos voláteis
especiarias, ...
óleos dissolvidos no solvente orgânico e não interferem
na medida
método aprovado pela AOAC para:
especiarias, queijo, rações animais
bons resultados em:
frutos secos, óleos e ceras
equipamento relativamente barato e fácil de operar
menor decomposição térmica que métodos com estufa
Métodos por destilação
desvantagens:
destrutivo
relativamente lento
usa solventes inflamáveis
não aplicável a todos os tipos de alimentos
não utilizado em rotina
leitura de volume de água menos rigoroso que determinação de
peso
23
Métodos químicos
adição de reagentes químicos à amostra
reacção específica com água
produz alteração mensurável nas propriedades do
sistema
massa
volume
pressão
pH
cor
condutividade
alterações correlacionadas com teor de humidade através
de curvas de calibração
Métodos químicos
requisitos:
reagente tem que reagir com a totalidade da água presente
reagente não pode reagir com outros componentes do alimento
24
Métodos químicos
vantagens:
não existe aplicação de aquecimento
adequado para alimentos com constituintes termosensíveis
adequado para alimentos com compostos voláteis
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
muito usado para determinação do teor de humidade em
alimentos com baixo conteúdo em água e ricos em açúcares ou
proteínas
frutos e legumes secos, doces, café, chocolate, óleos e
gorduras
baseado na reacção de redução do iodo por SO2
2H2O + SO2 + I2 ↓ H2SO4 + 2HI
HI é incolor
I2 é castanho avermelhado
medição da cor quando água reage
25
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
I2 e SO2 são gases e tendem a volatilizar
reacção inicial modificada por adição de solventes que
mantenham I2 e SO2 em solução
piridina (C5H5N)
utiliza-se uma solução metanólica contendo I2/SO2/piridina na
proporção 1:3:10
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
26
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
procedimento:
amostra colocada num copo com o solvente
titulação com o reagente de Karl Fischer
solução que contém I2
enquanto existir H2O na amostra, esta reage com I2 e a
solução permanece incolor
produção de HI
após consumo da água, observa-se desenvolvimento de cor
volume do reagente é medido
correlação com teor de humidade através de curva de
calibração
Métodos químicos
27
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
precisão pode ser melhorada:
utilização de métodos electroquímicos para medir ponto de
viragem
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
antes de se determinar teor de água é necessário determinar o
valor equivalente de humidade que reage com 1 mL do
reagente de Karl Fischer
KFReq
calcula-se utilizando tartarato de sódio
KFR eq (mg H2 O/mL) =
36 g H2 O/mol Na2 C4 H4 O6 .2H2 O x S x 1000
230.08 g/mol x A
S – peso do tartarato de sódio (g)
A – vol. de reagente necessário para titular tartarato de sódio (mL)
28
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
após determinar KFReq, determina-se teor de humidade
%H 2 O =
KFR eq x Ks
S
x 100
Ks – volume de reagente usado para titular amostra (mL)
S – peso da amostra (g)
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
problemas:
extracção incompleta de humidade
humidade atmosférica
pode entrar na câmara de reacção
humidade aderente às paredes de vidro
secagem prévia
interferência de outros constituintes dos alimentos
ácido ascórbico oxidado pelo reagente de Karl Fischer a
ácido dehidroascórbico
sobrestimação da humidade
compostos com grupo carbonilo reagem com MeOH
formam acetais e libertam água
sobrestimação
29
Métodos químicos
método de Karl-Fischer
problemas:
ácidos gordos insaturados reagem com iodo
sobrestimação da humidade
Métodos químicos
métodos com produção de gás
reacções específicas com a água, que levam à produção de gás
amostra misturada com carboneto de cálcio origina produção
de acetileno
correlação com teor de humidade
CaC2 + 2H2O ↓ C2H2 + Ca(OH)2
gás produzido pode ser medido por:
volume de gás produzido
diminuição de peso da amostra após libertação de gás
aumento da pressão num recipiente de reacção fechado
30
Métodos químicos
métodos com produção de gás
existe aparelhagem comercial para o efeito
Métodos físicos
água apresenta características físicas diferentes das do alimento
GC
densidade
condutividade
constante dielétrica
índice de refracção
métodos aplicáveis em alimentos nos quais a composição da
matriz permanece praticamente constante
apenas varia a razão água/alimento
útil quando se necessita medidas em contínuo
limitado a alimentos com teor de humidade ≤ 30 – 35%
31
Métodos físicos
ex:
determinação do teor de humidade numa emulsão óleo em
água por medida de densidade ou de condutividade
condutividade e densidade da água superiores às do óleo
Métodos físicos
GC
pouco conhecido e pouco usado
rápido
5 min
aplicável em alimentos com diversos teores de humidade
8 – 65%
cereais e derivados
frutos e derivados
necessário verificar correlação com método de secagem em
estufa, para cada tipo de amostra
32
Métodos físicos
índice de refracção
simples e rápido
menos preciso que restantes
método de referência (AOAC) para sólidos em xaropes e para
sólidos em frutos e derivados
refractómetros usados para medir ºBrix durante processamento
índice de refracção aumenta com concentração
Métodos físicos
densidade
simples, rápido e barato
utilizado em amostras com elevado teor em açúcar e salmouras
picnómetros
hidrómetros
balanças de Westphal
33
Métodos físicos
picnómetros
comparação dos pesos de volumes iguais de um líquido e
de água
método oficial para determinção de álcool em bebidas,
sólidos em xaropes e no leite
cálculo da densidade
densidade =
peso picnómetro com amostra - peso picnómetro vazio
peso picnómetro cheio de água - peso picnómetro vazio
Métodos físicos
hidrómetros
sólido suspenso num líquido flutua por efeito de uma
força igual ao peso do líquido deslocado
menos rigorosos que picnómetros
lactómetros
hidrómetros de Baumé
hidrómetros de Brix
alcoolómetros
hidrómetro de Twadell
34
Métodos físicos
balança de Westphal
mais rigorosa que hidrómetro
menos rigorosa que picnómetro
Métodos físicos
condutividade
quantidade de corrente eléctrica que passa num alimento é
proporcional à quantidade de água no alimento
aplicação da lei de Ohm
força de uma corrente eléctrica é igual à força electromotriz
dividida pela resistência
resistência de trigo com 13% humidade 7 vezes superior
a trigo com 14% e 50 vezes superior a trigo com 15%
humidade
necessário manter temperatura constante
muito rápido
1 min
pouco preciso
35
Métodos físicos
constante dieléctrica
amido, proteínas e componentes similares têm constante
dieléctrica ~10
água = 80
pequena mudança no teor de água, provoca forte
alteração na constante dieléctrica do alimento
rápido
muito utilizado em farinhas
pouco preciso
Métodos físicos
quando composição do alimento varia
interferências não permitem determinação correcta da
humidade
utilização de 2 ou mais métodos físicos:
densidade + condutividade
…
36
Métodos físicos
determinação do ponto de congelação
propriedade física mais importante no leite
diminuição na síntese de lactose provoca desiquilíbrio
osmótico
aumento das concntrações de Na+ e Clvalor médio no leite = -0.517 ºC
permite avaliar adulteração por adição de água
também dá indicação de mastite ou acidificação
valor do ponto de congelação varia inversamente com
quantidade de H2O presente
% H2 O adicionada =
0.517 - T
x 100
0.517
T – ponto de congelação da amostra (ºC)
Métodos físicos
determinação do ponto de congelação
procedimento:
arrefecer solução e induzir cristalização com uma vareta
vibrante
temperatura sobe rapidamente até ponto de congelação
com água pura, T permanece constante até toda a
água congelar
no leite, lê-se valor quando T deixa de aumentar
instrumentação automática permite análise em 1 – 2 min
37
Métodos espectroscópicos
água absorve radiação electromagnética a comprimentos de onda
diferentes daqueles dos restantes componentes dos alimentos
raios X
UV/Vis
NMR
micro-ondas
IV
Métodos espectroscópicos
radiação IV e de micro-ondas absorvidas por materiais com
capacidade de produzir vibração e/ou rotação das moléculas
análise a comprimento de onda ao qual radiação é absorvida
pela água, mas não pelos outros componentes do
alimento
bandas características do grupo OH da água
1400 – 1450 nm e 1920 – 1950 nm
intensidade da absorção relacionada com teor de humidade
maior humidade, maior a intensidade de absorção
espectrómetros de IV têm que ser calibrados para cada
analito
analito tem que estar uniformemente distribuído na amostra
38
Métodos espectroscópicos
vantagens:
rápidos
equipamentos comerciais simples
pouca ou nenhuma preparação de amostra
aplicação em controlo de qualidade
aplicação em medidas rápidas de grandes quantidades de
amostras
Métodos por determinação da pressão de vapor
actividade da água (aw)
relacionada com quantidade de água livre presente num
alimento, a uma dada temperatura
aw =
P
P0
P – pressão parcial da água no ambiente
P0 – pressão de vapor da água pura
água ligada é menos volátil que a água livre
aw dá indicação sobre teor de água presente
39
pressão de vapor
diversos métodos de análise
amostra colocada num recipiente fechado
entra em equilíbrio com o ambiente
mede-se humidade no espaço de cabeça
valor comparado com o da água pura nas mesmas condições
Métodos termogravimétricos
medição do peso da amostra durante aquecimento controlado
temperatura de evaporação depende do ambiente molecular
água livre evapora a mais baixa temperatura
medição do peso da amostra durante evaporação dá
indicação sobre teor de água presente
40
Métodos calorimétricos
medição da variação de calor absorvido ou libertado por um
material, à medida que este é aquecido a velocidade
controlada
ponto de fusão da água depende do ambiente molecular
água livre funde a temperatura mais elevada que água ligada
medição da variação da entalpia da amostra aquecida dá
indicação sobre o teor de humidade presente
técnicas usadas:
calorimetria diferencial de varrimento (DSC)
análise térmica diferencial (DTA)
DSC
41
DTA
Métodos espectroscópicos
espectro electromagnético da água influenciado pelo ambiente
molecular
NMR capaz de distinguir moléculas pela sua mobilidade
distância percorrida num determinado tempo
mobilidade molecular da água livre superior à da água ligada
NMR dá indicação dos teores de humidade em ambos os
estados
42
NMR
43