Atividade aquática - Water activity
| Segurança alimentar |
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| Termos |
| Fatores Críticos |
| Patógenos bacterianos |
| Patógenos virais |
| Patógenos parasitas |
A atividade de água ( a w ) é a pressão de vapor parcial da água em uma solução dividida pela pressão de vapor parcial do estado padrão da água . No campo da ciência alimentar , o estado padrão é mais frequentemente definido como a pressão de vapor parcial da água pura na mesma temperatura . Usando esta definição particular, a água destilada pura tem uma atividade de água de exatamente um. À medida que a temperatura aumenta, a w normalmente aumenta, exceto em alguns produtos com sal ou açúcar cristalino .
Substâncias com alto a w tendem a suportar mais microorganismos .
A água migra de áreas de a w alto para áreas de a w baixo . Por exemplo, se o mel (a w ≈ 0,6) for exposto ao ar úmido (a w ≈ 0,7), o mel absorve água do ar . Se o salame (a w ≈ 0,87) for exposto ao ar seco (a w ≈ 0,5), o salame seca , o que pode preservá- lo ou estragá- lo.
Fórmula
Definição de a w :
onde p é a pressão parcial do vapor de água em equilíbrio com a solução e p * é a pressão parcial do vapor da água pura na mesma temperatura.
Definição alternativa:
onde l w é o coeficiente de atividade da água ex w é a fração molar da água na fração aquosa.
Relação com a umidade relativa : A umidade relativa (UR) do ar em equilíbrio com uma amostra também é chamada de Umidade Relativa de Equilíbrio (ERH).
Vida útil estimada livre de molde (MFSL) em dias a 21 ° C:
Usos
A atividade da água é uma característica importante para o design de produtos alimentícios e a segurança alimentar.
Design de produtos alimentícios
Os designers de alimentos usam a atividade da água para formular alimentos estáveis na prateleira . Se um produto for mantido abaixo de uma certa atividade de água, o crescimento de fungos é inibido. Isso resulta em uma vida útil mais longa .
Os valores da atividade da água também podem ajudar a limitar a migração de umidade dentro de um produto alimentício feito com ingredientes diferentes . Se passas de alta atividade de água são embaladas com flocos de farelo de baixa atividade de água, a água das passas migra para os flocos de farelo com o tempo, tornando as passas duras e os flocos empapados. Os formuladores de alimentos usam a atividade da água para prever o quanto a migração de umidade afeta seus produtos.
Segurança alimentar
A atividade da água é usada em muitos casos como um ponto de controle crítico para programas de Análise de Perigos e Pontos Críticos de Controle (HACCP). Amostras do produto alimentício são retiradas periodicamente da área de produção e testadas para garantir que os valores da atividade de água estejam dentro de uma faixa especificada de qualidade e segurança alimentar. As medições podem ser feitas em apenas cinco minutos e são feitas regularmente na maioria das principais instalações de produção de alimentos.
Por muitos anos, os pesquisadores tentaram equiparar o potencial de crescimento bacteriano ao conteúdo de água . Eles descobriram que os valores não eram universais, mas específicos para cada produto alimentar. WJ Scott estabeleceu pela primeira vez que o crescimento bacteriano se correlacionou com a atividade de água, não com o conteúdo de água, em 1953. Está firmemente estabelecido que o crescimento de bactérias é inibido em valores específicos de atividade de água. Os regulamentos da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA para alimentos com umidade intermediária baseiam-se nesses valores.
A redução da atividade de água de um produto alimentício não deve ser vista como uma etapa mortal . Estudos com leite em pó mostram que células viáveis podem existir com valores de atividade de água muito mais baixos, mas nunca crescem. Com o tempo, os níveis bacterianos diminuem.
Medição
Os valores da atividade de água são obtidos por um eletrolítico resistivo, uma capacitância ou um higrômetro de ponto de orvalho .
Higrômetros eletrolíticos resistivos
Os higrômetros eletrolíticos resistivos usam um elemento sensor na forma de um eletrólito líquido mantido entre duas pequenas varetas de vidro por força capilar. O eletrólito altera a resistência se absorver ou perder vapor de água. A resistência é diretamente proporcional à umidade relativa do ar e também à atividade de água da amostra (uma vez que o equilíbrio líquido-vapor seja estabelecido). Esta relação pode ser verificada por uma verificação ou calibração usando misturas de água salgada, que fornecem uma umidade do ar bem definida e reproduzível na câmara de medição.
O sensor não tem nenhuma histerese dada fisicamente, como é conhecido por higrômetros e sensores de capacitância, e não requer limpeza regular, pois sua superfície não é o elemento de detecção eficaz. Os voláteis, em princípio, influenciam o desempenho da medição - especialmente aqueles que se dissociam no eletrólito e, portanto, alteram sua resistência. Tais influências podem ser facilmente evitadas usando filtros de proteção química que absorvem o composto volátil antes de chegar ao sensor.
Higrômetros de capacitância
Os higrômetros de capacitância consistem em duas placas carregadas separadas por um dielétrico de membrana de polímero . À medida que a membrana adsorve água, sua capacidade de reter uma carga aumenta e a capacitância é medida. Este valor é aproximadamente proporcional à atividade de água, conforme determinado por uma calibração específica do sensor .
Os higrômetros de capacitância não são afetados pela maioria dos produtos químicos voláteis e podem ser muito menores do que outros sensores alternativos. Eles não requerem limpeza, mas são menos precisos do que higrômetros de ponto de orvalho (+/- 0,015 a w ). Eles devem passar por verificações de calibração regulares e podem ser afetados por água residual na membrana do polímero (histerese).
Higrômetros de ponto de orvalho
A temperatura na qual o orvalho se forma em uma superfície limpa está diretamente relacionada à pressão de vapor do ar. Os higrômetros de ponto de orvalho funcionam colocando um espelho sobre uma câmara de amostra fechada. O espelho é resfriado até que a temperatura do ponto de orvalho seja medida por meio de um sensor óptico . Essa temperatura é então usada para encontrar a umidade relativa da câmara usando gráficos psicrométricos .
Este método é teoricamente o mais preciso (+/- 0,003 a w ) e geralmente o mais rápido. O sensor requer limpeza se houver acúmulo de detritos no espelho.
Equilíbrio
Com qualquer um dos métodos, o equilíbrio líquido-vapor deve ocorrer na câmara de amostra. Isso ocorre com o tempo ou pode ser auxiliado pela adição de um ventilador na câmara. O equilíbrio térmico também deve ocorrer, a menos que a temperatura da amostra seja medida.
Teor de umidade
A atividade de água está relacionada ao conteúdo de água em uma relação não linear conhecida como curva de isoterma de sorção de umidade . Essas isotermas são específicas da substância e da temperatura. Isotérmicas podem ser usadas para ajudar a prever a estabilidade do produto ao longo do tempo em diferentes condições de armazenamento.
Use no controle de umidade
Há evaporação líquida de uma solução com atividade de água maior que a umidade relativa do ambiente. Há absorção líquida de água por uma solução com atividade de água menor que a umidade relativa do ambiente. Portanto, em um espaço fechado, uma solução pode ser usada para regular a umidade.
Valores selecionados a w
| Substância | a w | Fonte |
|---|---|---|
| Água destilada | 1,00 | |
| Água da torneira | 0,99 | |
| Carnes cruas | 0,99 | |
| Leite | 0,97 | |
| Sumo | 0,97 | |
| Salame | 0,87 | |
| Bacon cozido com estabilidade na prateleira | <0,85 | |
| Saturada de NaCl soluo | 0,75 | |
| Ponto em que o cereal perde crocância | 0,65 | |
| Frutas secas | 0,60 | |
| Ar interior típico | 0,5 - 0,7 | |
| Querida | 0,5 - 0,7 | |
| Manteiga de amendoim | ≤ 0,35 |
| Microorganismo inibido | a w | Fonte |
|---|---|---|
| Clostridium botulinum E | 0,97 | |
| Pseudomonas fluorescens | 0,97 | |
| Clostridium perfringens | 0,95 | |
| Escherichia coli | 0,95 | |
| Clostridium botulinum A, B | 0,94 | |
| Salmonella | 0,93 | |
| Vibrio cholerae | 0,95 | |
| Bacillus cereus | 0,93 | |
| Listeria monocytogenes | 0,92, (0,90 em 30% de glicerol) | |
| Bacillus subtilis | 0,91 | |
| Staphylococcus aureus | 0,86 | |
| A maioria dos moldes | 0,80 | |
| Sem proliferação microbiana | <0,60 |
Habitabilidade de planetas solares
A água é necessária para a vida em todas as suas formas atualmente conhecidas na Terra . Sem água, a atividade microbiana não é possível. Mesmo que alguns microrganismos possam ser preservados no estado seco (por exemplo, após a liofilização ), seu crescimento não é possível sem água.
Os microrganismos também requerem espaço suficiente para se desenvolver. Em bentonita altamente compactada e formações argilosas profundas, a atividade microbiana é limitada pela falta de espaço e transporte de nutrientes para as bactérias e a eliminação de toxinas produzidas por seu metabolismo é controlada por difusão na água dos poros. Portanto, "restrições de espaço e água" são dois fatores limitantes da atividade microbiana em sedimentos profundos. A diagênese biótica inicial de sedimentos logo abaixo do fundo do oceano impulsionada pela atividade microbiana (por exemplo, de bactérias redutoras de sulfato ) termina quando o grau de compactação se torna muito importante para permitir o desenvolvimento de vida microbiana.
Na superfície dos planetas e em sua atmosfera, as restrições de espaço não se aplicam, portanto, o fator limitante final é a disponibilidade de água e, portanto, a atividade da água.
A maioria dos microrganismos extremófilos requer água suficiente para se tornarem ativos. O limite de atividade de água para seu desenvolvimento é em torno de 0,6. A mesma regra deve ser aplicada a outros planetas além da Terra. Após a detecção tentadora de fosfina (PH 3 ) na atmosfera do planeta Vênus , na ausência de um mecanismo químico conhecido e plausível para explicar a formação desta molécula, suspeitou-se da presença de microrganismos em suspensão na atmosfera de Vênus. e a hipótese da formação microbiana de fosfina foi formulada por Greaves et al. (2020) da Universidade de Cardiff, considerando a possibilidade de uma janela habitável nas nuvens venusianas a uma certa altitude com uma faixa de temperatura aceitável para a vida microbiana.
Hallsworth et al. (2021) da Escola de Ciências Biológicas da Queen's University Belfast estudaram as condições necessárias para sustentar a vida de microrganismos extremófilos nas nuvens em alta altitude na atmosfera de Vênus, onde condições favoráveis de temperatura podem prevalecer. Ao lado da presença de ácido sulfúrico nas nuvens, que já representa um grande desafio para a sobrevivência da maioria dos microrganismos, eles chegaram à conclusão de que a atmosfera de Vênus está muito seca para hospedar vida microbiana. Na verdade, Hallsworth et al. (2021) determinaram uma atividade de água ≤ 0,004, duas ordens de magnitude abaixo do limite de 0,585 para extremófilos conhecidos. Assim, com uma atividade de água nas nuvens de Vênus 100 vezes menor que o limiar de 0,6 conhecido nas condições da Terra, a hipótese proposta por Greaves et al. (2020) para explicar a origem biótica da fosfina na atmosfera de Vênus está descartada.
As medições diretas da atmosfera de Vênus por sondas espaciais apontam para condições muito adversas, tornando Vênus um mundo habitável, mesmo para as formas de vida mais extremas conhecidas na Terra. A atividade de água extremamente baixa da atmosfera venusiana desidratada representa o fator limitante da vida, muito mais severo do que as condições infernais de temperatura e pressão, ou a presença de ácido sulfúrico.
Os astrobiólogos atualmente consideram que condições mais favoráveis podem ser encontradas nas nuvens de Júpiter, onde uma atividade de água suficiente pode prevalecer na atmosfera, desde que outras condições necessárias para a vida também sejam atendidas no mesmo ambiente (suprimento suficiente de nutrientes e energia em um ambiente não meio tóxico).
Referências
Leituras adicionais
- Reineccius, Gary (1998). Sourcebook of Flavours . Berlim: Springer. ISBN 978-0-8342-1307-4.
- Fennema, OR, ed. (1985). Food Chemistry (2ª ed.). Nova York: Marcell Dekker, Inc. pp. 46–50.
- Bell, LN; Labuza, TP (2000). Aspectos práticos da medição e uso da isotérmica de sorção de umidade (2ª ed.). Egan, MN: AACC Egan Press.