Estimativa da vida útil de café solúvel por modelo matemático

Shelf-life prediction of instant coffee by mathematic method

ESTIMATIVA DA VIDA ÚTIL DE CAFÉ SOLÚVEL POR MODELO MATEMÁTICO¹

Rosa M. Vercelino ALVES², Maurício R. BORDIN²

RESUMO

O fator limitante da vida útil de café solúvel é o ganho de umidade do ambiente externo que leva à total aglomeração do produto. Uma forma de estimar a vida útil de café solúvel é através de modelo matemático que relaciona o aumento de umidade do produto, por meio de sua isoterma de sorção de umidade, com a taxa de permeabilidade ao vapor d’água da embalagem. Visando avaliar a adequação dessa técnica, café solúvel foi acondicionado em três tipos de materiais/ dois tamanhos de embalagem, e estocados a 30,0 ± 1,0°C e 80% de umidade relativa. A isoterma do café solúvel obtida pelo método de dessecador foi ajustada por quatro equações: linear, Halsey, Oswin e GAB. Conclui-se que a vida útil do café solúvel independe do tamanho de embalagem (25 e 50g), nos materiais em estudo, e foi de 15 dias em polietileno de baixa densidade (PEBD - 30µm), 3 meses no polipropileno biorientado/polipropileno biorientado perolizado (BOPP/BOPPP - 20µm/40µm) e de 3,5 a 4 meses em poliéster metalizado/PEBD (PETmet/PEBD - 12µm/70µm). O ganho de umidade do café solúvel determinado experimentalmente foi semelhante ao estimado pelo modelo matemático para valores menores que 12%, independentemente da equação usada para ajuste da isoterma de sorção de umidade do produto.

Palavras-chave: café solúvel, embalagem, estimativa de vida útil

SUMMARY

SHELF-LIFE PREDICTION OF INSTANT COFFEE BY MATHEMATIC METHOD. The limiting factor of instant coffee shelf-life is the gain of moisture from the external environment, which causes the total agglomeration of the product. One of the ways to estimate instant coffee shelf-life is through the mathematic method, which relates the product moisture increase by means of its moisture sorption isotherm with the water vapour permeability rate of the packaging material. In order to assess the adequacy of this technique, instant coffee was packaged in three types of materials / two sizes of package, and stored at 30,0 ± 1,0°C and 80% of relative humidity. Instant coffee isotherm achieved by the disiccator method was adjusted by the following four equations: linear, Halsey, Oswin and GAB. The conclusion was that instant coffee shelf-life does not depend on the package size (25 and 50g) for the materials being studied and was of 15 days in low density polyethylene (LDPE) - 30µm), 3 months in bioriented polypropylene / bioriented pearlized polypropylene (BOPP/BOPPP - 20µm/40µm) and of 3.5 to 4 months in metallized polyester/PEBD (PETmet/PEBD - 12µm/70µm). The instant coffee moisture gain determined experimentally was similar to the estimated through the mathematic method for values lower than 12%, independently from the equation used to adjust the moisture sorption isotherm of the product.

Key words: instant coffee, package, shelf-life prediction.

1 - INTRODUÇÃO

Café solúvel é produzido com a extração dos sólidos solúveis e de voláteis através dos processos de torrefação e moagem com água dos grãos de café seco. O processo de torrefação é o responsável pelo desenvolvimento do aroma e sabor característicos do café. A moagem é necessária para que os sólidos solúveis e as substâncias voláteis responsáveis pelo aroma e sabor sejam adequadamente extraídos.

Extrato com concentração de sólidos solúveis de 25% (p/p) é obtido e posteriormente concentrado usando evaporação ou congelamento e então secos por spray drying ou freeze drying, respectivamente. Em seguida, opcionalmente, é feita a aglomeração do produto (diâmetro médio aproximado de 1400µm). O aglomerado é seco posteriormente em leite fluidizado até o conteúdo desejado de umidade. Café solúvel produzido pelo processo freeze drying apresenta maior vida útil comparativamente ao do processo spray drying (17), provavelmente porque a umidade inicial de café solúvel produzido pelo processo freeze drying é em torno de 2% (15), enquanto que a do processo spray drying é de 4,5% (12).

A maior causa de perda de qualidade de café solúvel é o aumento de umidade, que resulta em total aglomeração do produto quando se atinge níveis de 7 a 8% (17). Entretanto, de forma a recuperar parte do aroma que é perdido durante os processos de extração e secagem, alguns tipos de café solúvel recebem a aplicação de óleo de aroma de café para incrementar as características sensoriais do produto. Neste caso, o café solúvel é susceptível à deterioração de sabor/odor devido à presença de oxigênio e umidade (12).

Considerando que a principal causa de perda de qualidade do café solúvel é o ganho de umidade, o seu período de vida útil em uma determinada embalagem depende do nível de proteção oferecido pelo(s) material (is) da embalagem e pode ser definido através de modelos matemáticos, nos quais a vida útil pode ser estimada, desde que seja assumido que esta depende somente do conteúdo de umidade do produto (9, 10, 11, 14, 16, 18).

Um desses modelos foi discutido em detalhes por ALVES et al. (1) que consiste de:

(1)

onde:

t = tempo de vida útil (dias)

Ms = peso seco do produto (g)

URe = umidade relativa da estocagem (%)

A = área da embalagem (m²)

TPVA = taxa de permeabilidade ao vapor d’água da embalagem ( g água/m²/dia)

Aa(U) = atividade de água do produto em função do conteúdo de umidade, que é a isoterma de sorção de umidade do produto a uma determinada temperatura

Uo = umidade inicial do produto (g água/100g amostra seca)

Ui = umidade do produto no tempo de estocagem i (g água/100g amostra seca)

Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a adequação deste modelo matemático para estimativa da vida útil de café solúvel acompanhando o ganho de umidade em três tipos de material flexível e em dois tamanhos de embalagem, quando estocados em condições controladas de temperatura e umidade relativa. Foram comparados os resultados práticos obtidos com os estimados por este modelo, após ajuste da isoterma de sorção de umidade do café solúvel por meio de quatro relações matemáticas sugeridas na literatura (linear, GAB, Halsey e Oswin).

2 - MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 - Produto

O café solúvel foi adquirido acondicionado em frascos de vidro de 100g, poucos dias após sua produção e caracterizado quanto a umidade inicial e isoterma de sorção de umidade. O produto era proveniente de extrato seco em spray dryer, aglomerado e seco posteriormente.

2.1.1 - Umidade inicial

A umidade inicial do café solúvel foi determinada em estufa à vácuo (81,3kPa), a 70±1°C até peso constante, segundo metodologia ISO-3726 (8). O resultado foi expresso em percentagem de umidade em base seca.

2.1.2 - Isoterma de sorção de umidade

A isoterma de sorção de umidade do café solúvel foi determinada a partir do produto com sua condição inicial de umidade. Utilizou-se de dessecadores contendo soluções saturadas de sais preparadas segundo LABUZA (13), com faixa de umidade relativa entre 11 e 89% (19). Amostras de cerca de 1g de café solúvel foram pesadas em triplicata em pesa filtro de vidro (altura = 25mm, diâmetro = 25mm), utilizando balança analítica Mettler, modelo AE 163, com resolução de 10^-4 g e condicionados nos dessecadores contendo as soluções saturadas, por um tempo suficiente para a estabilização do peso da amostra. Os dessecadores foram mantidos em câmara Patra, com controle de temperatura entre 30,0 ± 1,0°C. Após atingirem peso constante as amostras foram examinadas visualmente para verificar alterações.

2.2 - Embalagens

Avaliou-se duas dimensões de embalagem (8,0 x 11,0cm e 10,0 x 16,0cm), contendo 25g e 50g de café solúvel, respectivamente. Utilizou-se três tipos de materiais, polietileno de baixa densidade - PEBD (30µm), um laminado de polipropileno biorientado - BOPP (20µm)/polipropileno biorientado perolizado termosselável (40µm) - BOPPP e um laminado de poliéster metalizado - PETmet (12µm) /PEBD (70µm). Foram preparadas 15 unidades de cada tipo de material / dimensão. As condições de termossoldagem foram otimizadas de forma a se ter um fechamento hermético para cada tipo de material.

Os materiais avaliados (PEBD, BOPP/BOPPP e PETmet/PEBD) foram caracterizados quanto a taxa de permeabilidade ao vapor d’água a 30,0 ± 1,0°C/80%UR e 38,0 ± 1,0°C/90%UR, segundo metodologia ASTM E-96/95 (2).

2.3 - Estudo de ganho de umidade

Após o enchimento das embalagens com o café solúvel e fechamento por termossoldagem, os diferentes tipos de embalagem foram estocados em câmara Patra com controle de temperatura de 30,0 ± 1,0°C e a umidade relativa obtida por solução saturada de sulfato de amônia (80%UR) e o ganho de umidade foi determinado por meio do ganho de peso e da umidade inicial do café solúvel. As pesagens foram feitas em balança analítica Mettler, modelo AE 163, com resolução de 10^-4g.

2.4 - Estimativa do ganho de umidade através de modelagem matemática

As estimativas de ganho de umidade foram feitas por meio do ajuste matemático da isoterma de sorção de umidade do café solúvel, seguido da integração numérica do modelo matemático escolhido.

2.4.1 - Ajuste matemático da isoterma de sorção

Os dados experimentais da isoterma de sorção de umidade do café solúvel foram ajustados para uma equação linear (5, 11, 14), de Halsey (4, 5, 20), de Oswin (4, 5, 14) e para a equação de GAB (3, 19, 21), que são apresentadas na Tabela 1. Os ajustes foram feitos utilizando o programa matemático STATGRAPHICS 6.1.

(2)

A qualidade dos ajustes foi determinada pelo valor médio quadrático relativo (% RMS), que é obtido pela equação (2):

onde:

U_i = umidade determinada experimentalmente

U_i*= umidade calculada pelo ajuste

n = número de pontos experimentais.

= média das umidades determinadas experimentalmente.

2.4.2 - Integração numérica

O ganho de umidade do café solúvel, nos seis tipos de embalagens (duas dimensões/três materiais), foi estimado a partir da integração numérica da equação (1), empregando-se as quatro equações ajustadas a partir da isoterma de sorção de umidade do café solúvel. Para a integração numérica utilizou-se o programa Mathematica, versão 2.0.

3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 - Caracterização do café solúvel

A umidade inicial do café solúvel, média de 48 repetições, era de 3,43g água/100 g amostra seca, com coeficiente de variação de 4,4%.

A isoterma de sorção de umidade do café solúvel é apresentada na Figura 1. Na análise visual do café solúvel dos diversos dessecadores, observou-se que o café com atividade de água de 0,432 (U= 7,8%) começou a aglomerar, embora nesta condição ainda se soltava sob forte agitação. Com atividades de água de 0,514 (U=10,1%) a 0,633 (U=15,3%) o produto se mostrou totalmente aglomerado, e começou a dissolver a partir de atividade de água de 0,679 (U=17,7%), ficando totalmente dissolvido após valores de 0,796 (U= 29,6%).

O café solúvel estudado se mostrou um pouco mais higroscópico que o apresentado por ROBERTSON (17) e por LABUZA (12), uma vez que apresentou maiores valores de umidade para semelhantes teores de atividade de água. A isoterma apresentada por ROBERTSON (17) era de café solúvel produzido pelo processo freeze drying. LABUZA (12) cita genericamente que, com atividade de água de 0,50 o café solúvel se aglomera e se dissolve em valores de 0,75, o que foi confirmado neste trabalho.

3.2 - Caracterização das embalagens

Os resultados apresentados na Tabela 2, da taxa de permeabilidade ao vapor d’água (TPVA) a 38_C/90%UR do PEBD e BOPP/BOPPP são os normalmente encontrados para esses tipos de materiais. No caso do PETmet/PEBD a TPVA é função principalmente de como foi feita a metalização do poliéster e depende de fatores como grau de metalização, uniformidade, presença ou não de riscos e da tecnologia de laminação. Geralmente a TPVA de estruturas de PETmet/PEBD variam entre 0,5 a 5,0g água/m2/dia @ 38°C/90%UR. Desta forma o filme utilizado neste estudo apresentava uma metalização média.

Os resultados de TPVA a 30°C/80%UR serão utilizados para se estimar a vida útil do café solúvel nos diferentes tipos de embalagem.

3.3 - Ganho de umidade - valores estimados versus determinados

As constantes determinadas após modelagem matemática dos resultados experimentais da isoterma do café solúvel, para as quatro equações escolhidas, são apresentadas na Tabela 3. No caso da relação linear o ajuste foi feito apenas na região da curva da isoterma entre 0,113 a 0,514 de atividade de água. Também estão listados os valores médios quadráticos relativos (%RMS) de cada ajuste.

De maneira geral, as quatro equações escolhidas apresentaram um bom ajuste dos dados experimentais da isoterma do café solúvel, uma vez que a %RMS foi menor que 10% e o R²aj obtido foi alto.

No ajuste para a equação de GAB, a constante C1 determinada representa a umidade na monocamada e a constante C3 menor que 1 é característica de produtos alimentícios e indica que a isoterma tende a uma assíntota à atividade de água igual a 1,0 (6).

Nas Figuras 2 e ³ foram plotados os resultados experimentais de ganho de umidade do café solúvel, bem como os estimados pela integração numérica da equação (1), para cada um dos ajustes propostos.

Observa-se que os resultados obtidos experimentalmente ficaram próximos aos estimados pelo modelo matemático quando a isoterma do café solúvel foi ajustada por Halsey, Oswin e por GAB. Quando foi feito o ajuste linear da isoterma, os valores estimados de umidade do produto se distanciam dos demais para teores de umidade acima de 12% (umidade em base seca). Este distanciamento dos resultados era esperado porque este ajuste foi feito apenas na porção linear da isoterma (entre U=3,4% a 10,1%) e também foi observado no trabalho de IGLESIAS et al. (7) para carne desidratada e ALVES et al. (1) para biscoito "cream cracker".

Nas embalagens de PEBD ocorreu um desvio dos resultados experimentais a partir de umidade de 13%, provalvelmente porque a embalagem era muito fina (30µm) e foi aos poucos sendo danificada pelo produto aglomerado. Isto foi comprovado determinando a TPVA do material no final do estudo, e o valor médio obtido foi de 9,1g água/m²/dia @ 30°C/80%UR, ou seja, houve um aumento de 50% na taxa de permeabilidade ao vapor d’água do material no final da estocagem.

Nas embalagens de PETmet/PEBD de 25g o desvio dos resultados experimentais também ocorreu devido a danos no material, que se acentuou com o manuseio das embalagens durante o estudo.

Na construção da isoterma de sorção de umidade do café solúvel observou-se que a umidade crítica do produto é um pouco acima de 7,8% de umidade a 30° C, quando ocorre a total aglomeração do produto. A literatura cita valores de 7 a 8% (17). Assim, se integrarmos a equação (1) no intervalo compreendido entre a umidade inicial e um valor de umidade crítica de 8%, obtêm-se os períodos de vida útil apresentados na Tabela 4. Observa-se que os períodos de vida útil verificados no estudo real estão muito próximos dos estimados pelo modelo, independentemente da equação de ajuste da isoterma porque a umidade crítica é inferior a 12%.

Os períodos de vida útil do café solúvel na estrutura metalizada seria de 7 a 8 meses se a estrutura apresentasse uma camada de metalização que oferecesse maior barreira à umidade, como por exemplo, se a permeabilidade ao vapor d’água do material fosse de 1g água/m²/dia @ 38°C/90%UR.

Atualmente, café solúvel tem sido comercializado no Brasil em estruturas laminadas contendo uma folha-de-alumínio como componente barreira a umidade. Neste tipo de material, como a taxa de permeabilidade ao vapor d’água é de cerca de 0,03g água/m²/dia @ 38°C/90%UR, é estimado que a umidade do café solúvel atingisse cerca de 4,6-4,7%após 2 anos de estocagem a 30°C/80%UR, desde que sejam mantidas as condições do produto desse estudo.

4 - CONCLUSÕES

A vida útil do café solúvel praticamente é a mesma nos dois tamanhos de embalagem utilizados atualmente no Brasil quando o café solúvel é comercializado em embalagens plásticas flexíveis, para os três tipos de materiais testados. Estes períodos de vida útil @ 30°C/80%UR são de cerca de 15 dias em PEBD (30µm), 3 meses em BOPP/BOPPP (20µm/40µm) e entre 3,5 e 4 meses em PETmet/PEBD (12µm/70µm), com os materiais nas condições do estudo.

Verificou-se que o modelo matemático testado se mostrou plenamente satisfatório para estimar a vida útil de café solúvel. Também ficou provado que, neste contexto e para o produto em questão, onde a umidade crítica se encontra na porção linear da isoterma de sorção, o ajuste da mesma para uma reta é tão satisfatório quanto outros que utilizam equações mais complexas como a de GAB, de Halsey ou a de Oswin.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

² CETEA - Centro de Tecnologia de Embalagem do ITAL. Caixa Postal 139, CEP 13073-001- Campinas, SP, Brasil.

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Recebido para publicação em 03/07/97. Aceito para publicação em 14/04/98.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  28 Set 2001
• Data do Fascículo
  Abr 1998

Histórico

• Recebido
  03 Jul 1997
• Aceito
  14 Abr 1998