Isoterma de Sorção

Historicamente o homem preserva alimentos por desidratação, salga, adição de açúcar, métodos baseados na redução do conteúdo de água, e o congelamento e resfriamento reduzem a mobilidade da água. Portanto uma forma eficiente de conservação de produtos é o entendimento de “atividade de água”.

A maioria dos alimentos, cosméticos, fármacos têm em sua composição carboidratos, proteínas, lipídeos, polímeros, micro-nutrientes como vitaminas, ferro, fósforo, cálcio, etc. e água.  

Como a água se comporta dentro desses materiais?

Por que os produtos se desidratam?

Por que o pão resseca e murcha se ficar fora da embalagem?

Por que o cabelo enrola em dias úmidos e estica em dias secos?

Por que o café solúvel aglomera se não fechar hermeticamente a tampa? 

As respostas para essas perguntas podem ser obtidas através da isoterma de sorção de cada produto.

Todos os produtos tendem a entrar em equilíbrio com a umidade relativa do ambiente que o envolve, inclusive dentro da embalagem (micro-ambiente). Para entrar em equilíbrio cada produto depende de tempo, velocidade, força de ligação.

Isoterma de sorção é a relação entre a atividade de água (aw) e umidade do produto em uma determinada temperatura. Cada produto tem uma isoterma única, a forma Sigmoidal é a mais comum para os alimentos.

Porque cada produto tem uma composição única, cada produto tem sua curva característica de isoterma de sorção. A água presente nos produtos interage diferentemente com os seus diversos components (proteínas, carboidratos, sais, ácidos, etc.) e assim formam isotermas com formatos típicos, sendo o mais comum é o sigmoidal. O estado físico-químico dos ingredientes e sua estrutura física também influenciam no formato da isoterma de sorção.

Basicamente há 5 tipos de isotermas descritos por Brunauer, Deming and Teller in 1940.  (Brunauer, S., Deming, L.S., & Teller, E.,      1940.  Journal of the American Chemical Society. 62:1723-1732.)

• Tipo I – Isoterma Langmuir

  Obtida pela adsorção monomolecular de gás por sólidos porosos com um volume finito de vazio.

  Típico de agentes anti-aglomerante.

  Detém grande quantidade de água  com baixa atividade de água.

  Água é absorvida via quimissorção em sítios específicos.

  Uma vez preenchidos todos os sítios, há um pequeno aumento na umidade com grande aumento na atividade de água devido a:

  Todos os poros estarem preenchidos;

  Não incha;

  Nenhum soluto presente que possa dissolver;

•   Tipo II –  Isoterma Sigmoide

  Obtida em produtos solúveis e mostra a tendência assintótica conforme a atividade de água aumenta.

  O formato é causado pelo efeito de aditivos

  Lei de Raoult

  Efeito da capilaridade

  Interação de superfície da água

  Duas regiões de inflexão devido as mudanças na magnitude dos efeitos químicos e físicos

  a_w de 0,2 – 0,4

  Acúmulo de multi-camadas de água

  Enchimento dos poros pequenos

  a_w de 0,6 – 0,7

  Dilatação

  Enchimento dos poros grandes

  Dissolução de solutos

•   Tipo III – Isoterma formato “J”

• Representa a isoterma de material cristalino como açúcares e sais.
• Isoterma Flory-Huggins – adsorção de um solvente acima da temperatura de transição vítrea.

Ganho de umidade é muito baixo até o ponto onde os cristais começam a se dissolver na água absorvida na superfície do cristal (ponto de deliquescência)

• Tipo IV
• Descreve a adsorção por um sólido hidrofílico que se incha até a máxima hidratação dos seus sítios.
• As duas isotermas mais comumente encontradas em produtos alimentícios são Tipo II e Tipo IV

• Tipo V – Isoterma de Adsorção de multi-camadas BET
• Observado pela adsorção de vapor água em carvão
• Relacionadas ao tipo II e III