Embalagens alternativas para café solúvel

Alternative packaging for instant coffee

EMBALAGENS ALTERNATIVAS PARA CAFÉ SOLÚVEL¹

Rosa M. Vercelino ALVES²,^*, Cibele R. MILANEZ³, Marisa PADULA²

RESUMO

O objetivo deste trabalho foi estimar a vida útil de café solúvel em novas opções de potes plásticos através de modelo matemático, que relaciona o aumento de umidade do produto, com a barreira à umidade da embalagem. Os potes plásticos foram caracterizados quanto às dimensões, à capacidade volumétrica, à taxa de permeabilidade ao vapor d'água (TPVA) e ao torque de abertura. Caracterizou-se os dois tipos de café solúvel (aglomerado e em pó) quanto à umidade inicial e crítica e à isoterma de sorção de umidade. Os potes plásticos de poliéster (PET) mostraram-se cerca de dez vezes mais permeáveis que os de polipropileno (PP). Observou-se aglomeração nos produtos com 7,0% b.s. de umidade a 30ºC, mas a umidade crítica foi considerada como sendo de 5,0% b.s., que é o teor fixado pela legislação. Os resultados indicaram que, nos potes de PP, os períodos de vida útil dos cafés solúveis aglomerado e em pó foram superiores a 1,8 anos e 2,5 anos, respectivamente, a 30ºC/80%UR. Entretanto, o uso de potes de poliéster (PET) não se mostrou viável devido aos baixos períodos de vida útil estimados a 30ºC/80%UR (inferiores a 4 meses).

Palavras-chave: café solúvel; embalagem plástica; estimativa de vida útil.

SUMMARY

ALTERNATIVE PACKAGING FOR INSTANT COFFEE. The objective of this paper was to estimate the instant coffee shelf life in new options of plastic pots through a mathematic model, which relates the product moisture increase with the moisture barrier of the packaging. The plastic pots were characterized by the dimensions, the volumetric capacity, the water vapor transmission rate (WTVR) and the removal torque. The two differents types of instant coffee (aglomerated and powder) were characterized by the initial moisture and by the moisture sorption isotherm. The results presented that the plastic pots of polyester (PP) are about ten times more permeated than the polypropylene (PP) ones. The aglomeration was observed in the products with the moisture value of 7% (d.b.), but the critic moisture value was considerated 5% (d.b.), that is the tenor fixed by the legislation. The results showed that in the polypropylene (PP) pots the shelf life periods for aglomerated instant coffee and powder instant coffee was higher than 1,8 and 2,5 years, respectively, at 30ºC/80%RH. However, the use of the polyester (PET) pots didn't show to be viable because of the lower shelf life periods estimated at 30ºC/80%RH (lower than 4 months).

Keywords: instant coffee; plastic packaging; shelf-life prediction.

1 — INTRODUÇÃO

A maior causa de perda de qualidade de café solúvel é o aumento de umidade, que resulta em aglomeração do produto quando se atinge níveis de 7,0 a 8,0% [8, 14, 15]. Alguns autores também afirmam que os cafés solúveis que recebem a aplicação de óleo de café aromatizante para incrementar as características sensoriais do produto são susceptíveis à deterioração de sabor/odor devido à presença de oxigênio e umidade [8, 11, 15].

Assim, o período de vida útil de café solúvel em uma determinada embalagem depende do nível de proteção oferecido por esta e pode ser estimado através de modelos matemáticos, desde que se considere que este período depende somente do conteúdo de umidade do produto [9, 10, 11, 12, 13, 16].

Café solúvel tem sido comercializado preferencialmente em embalagens de vidro e metálicas. Recentemente, embalagens flexíveis fabricadas com estrutura contendo folha-de-alumínio começaram a ser utilizadas para café solúvel como uma embalagem refil (100g), ou também em embalagens para "dose única" (2g), utilizadas principalmente em hotéis, restaurantes, etc.

Esse mercado busca novas alternativas de embalagens rígidas, como potes de poliéster (PET) ou de polipropileno (PP) bi-orientado que possuem aspecto moderno, além de vantagens como baixo peso e boa resistência mecânica. Potes de PP apresentam uma excelente barreira contra a entrada de umidade se hermeticamente fechados. Por outro lado, potes de PET são transparentes, o que permite manter o mesmo visual das embalagens de vidro.

Entretanto, o mercado requer informações sobre a vida útil desses produtos, quando acondicionados em embalagens com diferentes níveis de proteção quanto à umidade, para avaliar o potencial de utilização dessas embalagens nesse segmento.

Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a taxa de permeabilidade ao vapor d'água de diferentes opções de potes plásticos, caracterizar dois tipos de café solúvel (aglomerado e em pó) quanto ao ganho de umidade e, através de um modelo matemático, estimar a vida útil dos produtos, nas embalagens estudadas, com base apenas no ganho de umidade dos produtos.

Com os resultados obtidos, foi possível verificar a viabilidade técnica de utilização dessas novas opções de embalagem.

2 — MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 – Produtos

Utilizou-se café solúvel aglomerado e em pó, recém-produzidos pelo processo de spray-dryer, adquiridos de empresas líderes do mercado brasileiro.

2.2 – Embalagens

Foram estudados quatorze potes plásticos, fabricados com dois tipos de materiais por sete diferentes empresas, conforme descritos na Tabela 1.

As quantidades de cada tipo de café solúvel que poderiam ser acondicionadas nas embalagens em estudo são apresentadas na Tabela 2.

2.3 – Caracterização do potes plásticos

As embalagens plásticas foram caracterizadas quanto ao peso, à capacidade volumétrica e à taxa de permeabilidade ao vapor d'água (TPVA).

Peso e Capacidade Volumétrica

A determinação do peso do pote e da capacidade volumétrica foram feitas em balança semi-analítica "Mettler", modelo PM 6100, com precisão de 0,01g [4]. A capacidade volumétrica total foi determinada através da massa (g) de água necessária para encher totalmente a embalagem, considerando as correções devidas à temperatura e à densidade da água.

Taxa de Permeabilidade ao Vapor d'Água

As embalagens foram caracterizadas quanto à taxa de permeabilidade ao vapor d'água na condição 30ºC / 80%UR, por meio do método gravimétrico, segundo a metodologia ASTM D 895-94 - Stardard test method for water vapor permeability of packages [5]. Esse método é baseado no aumento de peso do cloreto de cálcio anidro (CaCl₂), colocado no interior da embalagem. O ganho de peso foi quantificado em balança analítica Mettler, modelo AT 400, com resolução de 10^-4g. O condicionamento foi feito em câmara climatizada Vötsch, modelo VC 0033, com controle de temperatura e de umidade relativa [2].

Foi determinada a TPVA dos potes plásticos fechados com a termossoldagem de um selo de alumínio+tampa e, neste caso, o selo era composto de folha-de-alumínio (45mm)/verniz termosselante universal. Também foi determinada a TPVA dos potes plásticos fechados só com a tampa plástica, visando simular o que normalmente é feito a nível doméstico (menor torque de fechamento).

Durante o condicionamento na câmara Vötsch, os potes foram mantidos com o fundo sobre uma prateleira ranhurada, de forma a expor toda a superfície ao vapor d'água (corpo do pote, tampa e sistema de fechamento).

Torque de Abertura

Nos potes plásticos fechados só com tampa plástica, após o teste de TPVA, foi medido o torque de abertura das embalagens em torquímetro Owens Illinois, modelo 25-3003 MR, com resolução de 1lbf.pol [4].

2.4 – Caracterização dos produtos

Os produtos foram caracterizados quanto à umidade inicial, à umidade crítica e à isoterma de sorção de umidade a 30ºC.

Umidade inicial (Uo)

A umidade inicial dos dois tipos de café solúvel foi determinada em estufa à vácuo (100mbar), a 70±1ºC por 16h, quantificada em balança analítica Mettler, modelo AT 400, com resolução de 10^-4g. O resultado foi expresso em porcentagem de umidade em base seca [6].

Isoterma de sorção de umidade e umidade crítica (Uc)

A isoterma de sorção de umidade foi determinada a partir do produto com sua condição inicial de umidade. Utilizou-se dessecadores contendo soluções saturadas de sais, com faixa de umidade relativa entre 11,0 e 89,0%, mantidos em câmara, com controle de temperatura entre 30,0 ± 1,0ºC. Amostras de cerca de 1g dos produtos foram pesadas em triplicata em pesa filtro de vidro, utilizando balança analítica Mettler, modelo AE 163, com resolução de 10^-4g e condicionados nos dessecadores contendo as soluções saturadas, por um tempo suficiente para a estabilização do peso da amostra (21 dias). Após este período foram determinadas as umidades de equilíbrio, para cada condição de umidade relativa [2, 17].

A umidade crítica do produto foi estabelecida com base nas alterações visuais que ocorreram durante a estocagem a 30ºC, nas diferentes condições de umidade relativa.

Os dados experimentais da isoterma de sorção do produto foram ajustados pela Equação de Halsey, apresentada a seguir, utilizando um programa matemático Statgraphics 6.1 (1992).

onde:

Aa = atividade de água do produto

U = umidade do produto (g água/100g de produto seco)

C₁ e C² = constantes

A qualidade do ajuste da equação de Halsey foi avaliada através do coeficiente de determinação (R²) e da determinação do valor médio quadrático relativo [3].

2.5 – Estimativa de vida útil do café solúvel

Conhecendose a isoterma de sorção de umidade dos produtos, a taxa de permeabilidade ao vapor d'água das embalagens (TPVA) e as condições de estocagem, foi possível estimar, utilizando um modelo matemático (Equação 2), a vida útil dos produtos com base no ganho de umidade.

Esse modelo matemático assume que, quando se tem uma embalagem protegendo um alimento contra o ganho de umidade, a transferência de vapor d'água de fora da embalagem para dentro é lenta. Assim, pode se supor que, conforme o vapor d'água atravessa a embalagem, este vai sendo distribuído uniformemente no produto alimentício e, portanto, o fenômeno que rege o ganho de umidade do produto é o da transferência de vapor d'água do exterior para o interior da embalagem, que pode ser descrito pela equação (2) [2, 3]:

onde:

t = tempo de vida útil (dias)

Ms = massa seca do produto (g)

URe = umidade relativa do ambiente de estocagem (%)

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

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

Uo = umidade inicial do produto (g água/100g de produto seco)

Uc = umidade crítica do produto (g água/100g de produto seco)

Para a integração numérica da equação (2) utilizou-se o programa Mathematica 2.2.3. (1993).

3 — RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 – Caracterização das embalagens plásticas

As embalagens mostraram-se homogêneas quanto aos parâmetros avaliados na Tabela 3.

Observa-se na ^{Tabela 4} que, os potes plásticos de PP produzidos pelo Fabricante 2, nos dois tamanhos e termosselados, apresentaram maior TPVA que as demais embalagens. Este resultado é explicado pelas maiores dimensões (maior área superficial) e menor peso (menor espessura) dessa embalagem.

Houve diferenças entre as TPVA das embalagens de PET avaliadas (0,017 a 0,033g água/embalagem/dia), decorrentes de peso de material, da distribuição de espessura da parede da embalagem, da área superficial e do processo de fabricação da embalagem (grau de cristalinidade e estiramento). As embalagens de PET apresentaram-se cerca de dez vezes mais permeáveis que as de PP devido às características de barreira ao vapor d’água dos materiais (PET em relação ao PP).

Retirando o selo de alumínio e avaliando a TPVA da embalagem fechada só com a tampa, verificou-se um maior aumento na TPVA das embalagens de PP (aumento de 12 a 56 vezes) do que nas de PET (1,1 a 4,5 vezes). Quando o fechamento é só com a tampa, a TPVA da embalagem depende do tipo de fechamento (fechamento por rosca da maioria das embalagens é melhor do que por pressão - embalagens do fabricante 3), da permeação pelo material da tampa, do ajuste dimensional entre o corpo e a tampa, do torque aplicado no fechamento e do diâmetro da boca da embalagem. As embalagens de PP termosseladas apresentaram-se mais barreira ao vapor d'água, e, portanto, incrementos devidos à entrada de umidade pelo fechamento são mais significativos.

Um melhor ajuste dimensional entre o corpo e a tampa da embalagem geralmente é obtido quando o corpo tem um gargalo fabricado pelo processo de injeção (embalagem de PP do fabricante 4 e todas as embalagens de PET).

O torque de abertura das embalagens com tampa rosqueada (^{Tabela 4}), conforme discutido anteriormente, é um dos fatores que interferem na TPVA da embalagem, quando o fechamento é só com tampa plástica. Não se tem referência na literatura de torques de abertura de potes plásticos.

Assim, sem o selo de alumínio, as TPVA das embalagens podem ser divididas entre três grupos: embalagens de TPVA maior que 0,1g água/embalagem/dia (embalagens de PP do fabricante 3 – fechamento por pressão e fabricante 2 – pote de 620mL), embalagens de TPVA entre 0,08 e 0,09g água/embalagem/dia (fabricante 2 – PP - 840mL, fabricante 4 – PET – 360mL e fabricante 7 – 430mL), e embalagens de TPVA entre 0,03 e 0,05g água/embalagem/dia a 30ºC/80%UR (demais embalagens).

Comparando esses resultados com os das embalagens de vidro hoje em uso para café solúvel, verificou-se que, em embalagens de vidro onde o sistema de fechamento é composto por selo de alumínio colado e tampa plástica de PP rosqueada, a TPVA é de 0,002 a 0,006g água/embalagem/dia a 30ºC/80%UR (410mL), que é a mesma faixa obtida para as embalagens de PP [1].

Em um trabalho publicado por XAVIER et al [18], embora as condições de determinação das TPVA para embalagens de vidro fossem diferentes, verificou-se um aumento na TPVA de 10,6 e 27,5 vezes, respectivamente para as condições 38ºC/90%UR e 23ºC/75%UR, quando se compara a TPVA de potes sem selo/potes com selo. Nas embalagens de PP estudadas, os aumentos nas TPVA com a retirada do selo de alumínio, foram nesta ordem de grandeza.

Nas embalagens metálicas, também utilizadas neste segmento, a TPVA deve ser próxima de zero se esta apresentar todos os fechamentos com boa hermeticidade. Entretanto, ao determinar a TPVA de embalagens metálicas (370mL, diâmetro externo de 73,4mm), fechadas apenas com sobretampa plástica por pressão (após retirada da tampa metálica de fácil abertura), os resultados obtidos foram de 0,079g água/embalagem/dia a 30ºC/80%UR, que é a mesma ordem de grandeza do segundo grupo de embalagens plásticas avaliadas de maior TPVA, quando sem selo de alumínio [1].

3.2 – Caracterização do Café Solúvel

A umidade inicial dos dois tipos de café solúvel, média de dez repetições, foi de 3,45% b.s. (coeficiente de variação de 4,4%) e 2,74%b.s. (coeficiente de variação de 2,7%), respectivamente para o aglomerado e em pó.

As isotermas de sorção de umidade dos dois tipos de café solúvel são apresentadas na Figura 1.

Na análise visual dos dois tipos de café solúvel dos diversos dessecadores, observou-se que os cafés com atividade de água (Aa) de 0,43 (U_aglomerado = 7,78%b.s. e U_pó=7,23%), embora estivessem aglomerados, soltavam-se sob forte agitação. Na Aa de 0,51, o café aglomerado (U=10,09%) ainda soltava-se sob pressão manual, mas o café solúvel em pó (U=9,42%) estava totalmente aglomerado. À 0,63 de Aa o café solúvel aglomerado (U=15,34%) encontrava-se totalmente compactado, mas ocorreu o início de dissolução do café solúvel em pó (U=14,87%). A dissolução do café solúvel aglomerado iniciou-se com Aa de 0,75 (U=3,4%). Também foi observado um escurecimento dos cafés solúveis a partir de Aa de 0,43 e 0,51 para os produtos em pó e aglomerado, respectivamente.

Segundo Labuza [11], de maneira geral, o café solúvel aglomera-se com atividade de água de 0,50 e dissolve-se em valores de 0,75, o que foi observado nos produtos do estudo.

Com base nas alterações dos dois tipos de café solúvel, a 30ºC, a umidade a partir da qual é visível uma alteração física dos cafés solúveis aglomerado e em pó é ao redor de 7,8% b.s. e 7,2% b.s, respectivamente, quando ocorre a aglomeração dos produtos. Estes resultados coincidem com o descrito na literatura, que cita valores de 7 a 8% [8, 16].

A Legislação Brasileira fixa como Padrão de Identidade e Qualidade (PIQ) o teor máximo de umidade de 5,0% para o café solúvel [7]. Este teor de umidade coincide com o descrito por Clinton [apud 8] como adequado para manter as características sensoriais do café por 18 meses a 21ºC.

Desta forma, neste trabalho optou-se por definir como umidade crítica o teor de 5,0% b.s. para os dois tipos de café solúvel, para estimar os períodos de vida útil nas embalagens estudadas. Entretanto, também foi estimado o período que os dois tipos de café solúvel levariam para atingir um teor de umidade de 7,0% b.s., quando seria visível a aglomeração do produto.

As isotermas obtidas para os dois tipos de café solúvel foram ajustadas para a Equação de Halsey e as constantes determinadas, bem como os índices de avaliação do ajuste, são apresentados na Tabela 5.

A Equação de Halsey apresentou um bom ajuste dos dados experimentais das isotermas dos dois tipos de café solúvel, uma vez que a % do RMS foi menor que 10% e a % do R² ajustado foi alta.

3.3 – Estimativa de vida útil do café solúvel

As equações ajustadas foram substituídas na Equação (2). Em seguida, as equações foram integradas numericamente, visando verificar quais seriam os períodos de vida útil dos dois tipos de café solúvel nas diferentes embalagens em estudo, considerando os valores máximos de umidade (5,0 e 7,0% b.s.).

Na Tabela 6 estão apresentados os períodos estimados se os dois tipos de café solúvel fossem acondicionados nas embalagens plásticas rígidas termosseladas (fechamento selo+tampa). Observa-se na Tabela 6 que, nos potes de PP estudados, independentemente do teor de umidade considerado (5,0% b.s. ou 7,0% b.s.), os períodos de vida útil do cafés solúveis aglomerado e em pó foram superiores a 1,8 anos e 2,4anos, respectivamente, a 30ºC/80%UR.

Nas embalagens de PET, quando o teor de umidade limitante foi de 5,0% b.s., os períodos de vida útil estimados para os dois tipos de café solúvel foram de 2 a 3 meses e de 3 a 4 meses, respectivamente para o café solúvel aglomerado e em pó. Para atingir um teor de umidade de 7,0% b.s., os períodos variaram de 5,5 meses a 8 meses para o café solúvel aglomerado e de 6 meses a 9 meses para o café solúvel em pó.

No mercado brasileiro, os fabricantes de café solúvel aglomerado acondicionado em embalagem de vidro especificam um período de vida útil de 1,5 a 3 anos.

Esses períodos são obtidos nos potes de PP se for considerado apenas a barreira oferecida por essas embalagens contra a entrada de umidade. Esses períodos precisariam ser confirmados em um estudo complementar, com acompanhamento da estabilidade do produto com análises sensoriais periódicas.

Entretanto, o uso de potes de PET, com as características de permeabilidade ao vapor d'água quantificadas neste estudo, mostrou-se inviável devido aos baixos períodos de vida útil estimados para estocagem a 30ºC/80%UR. E esses períodos poderiam ser estendidos se forem feitas modificações nos potes, de forma que diminua a sua TPVA.

Também foram calculados os períodos de tempo que levariam para os dois tipos de café solúvel atingirem um teor de umidade no qual seria visível sua aglomeração (U=7% b.s.), se, logo após a produção, fosse retirado o selo de alumínio (simulando o uso pelo consumidor). Os resultados obtidos foram apresentados na Tabela 7.

Após a retirada do selo de alumínio, o tipo de fechamento da embalagem e a quantidade de produto que as embalagens acondicionam são os fatores de maior influência no prolongamento do período de conservação dos dois tipos de café solúvel. Desta forma, os períodos estimados para conservação dos cafés solúveis nas embalagens sem selo podem variar de 1 a 8 meses nos potes de PP e de 2 a 7 meses nos potes de PET.

4 — CONCLUSÕES

Com base nos resultados apresentados, as principais conclusões obtidas foram:

Os potes plásticos de PET apresentaram-se cerca de dez vezes mais permeáveis que as de PP, devido às características de barreira do material (PET em relação ao PP).

Retirando o selo de alumínio e avaliando a TPVA dos potes plásticos fechados só com as tampas, verificou-se um maior aumento na TPVA das embalagens de PP (aumento de 12 a 56 vezes) do que nas de PET (1,1 a 4,5 vezes), do que resultou em TPVA das embalagens de PP e PET na faixa de 0,03 a 0,22g água/embalagem/dia a 30ºC/80%UR.

A umidade crítica a 30°C dos cafés solúveis aglomerado e em pó foi definida como de 5,0% b.s., que é o teor estipulado na Legislação Brasileira. Quando a umidade dos produtos era ao redor de 7% b.s. observou-se a aglomeração dos produtos.

Nos potes de PP caracterizados, os períodos de vida útil do cafés solúveis aglomerado e em pó foram superiores a 1,8 anos e 2,5anos, respectivamente, a 30°C/80%UR, se considerado apenas o ganho de umidade dos produtos.

Potes de PET com taxas de pemeabilidade ao vapor d'água na faixa de 0,02 a 0,03g água/m²/dia a 30°C/80%UR não serão viáveis para café solúvel devido aos baixos períodos de vida útil estimados para se atingir 5% b.s. de umidade a 30°C/80%UR (inferior a 4 meses).

Após retirada do selo de alumínio dos diversos tipos de embalagens estudadas, os períodos estimados de conservação dos cafés solúveis nas embalagens variam de 1 a 8 meses.

5 — REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6 — AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio financeiro do Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento - Café.

² CETEA/ITAL - Caixa Postal 139, CEP 13073-001, Campinas - SP, [e-mail]

³ Estagiária com bolsa de Iniciação Científica concedida pelo PIBIC-CNPq.

* A quem a correspondência deve ser enviada.

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Recebido para publicação em 20/12/99. Aceito para publicação em 25/08/00.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  20 Abr 2001
• Data do Fascículo
  Ago 2000

Histórico

• Aceito
  25 Ago 2000
• Recebido
  20 Dez 1999