2. Revisão bibliográfica
2.4 Secagem em camada de espuma foam-mat drying
2.4.1 Agente Espumante
A espuma é uma dispersão de um fluido “hidrofóbico” (afinidade com óleo) em um liquido “hidrofílico” (afinidade com água). É muito similar a uma emulsão. Possuem em sua estrutura gotículas gasosas cobertas por um líquido contínuo e descritas termodinamicamente como um sistema instável (FOLEGATTI, 2001).
A forma da bolha nas espumas vai depender da densidade das mesmas. Quando se tem densidade baixa, estas terão formas poliédricas, contrastando com espuma densa, cuja forma será esférica. No entanto, qualquer que seja a forma das bolhas, normalmente elas têm uma distribuição de tamanho definido e uma estrutura desordenada, a Figura 2.4 mostra a estrutura da espuma. A instabilidade da espuma se apresenta quando a distribuição de tamanhos das
bolhas é heterogênea, produzindo um desequilíbrio das forças na interface gás-líquido (RATTI; KUDRA, 2006).
Figura 2.4 -Estrutura da espuma (MUTHUKUMARAN et al., 2008)
Para definir o agente espumante para a desidratação em camada de espuma deve-se escolher o que promove a maior redução de densidade, uma vez que esta redução é causada pela incorporação de ar durante a agitação da mistura do suco (ou polpa do produto) com o aditivo e caracteriza a formação da espuma THUWAPANICHAYANAN et al. (2008). A presença de substâncias com capacidade de gerar espuma e até mesmo estabilizar uma emulsão é encontrado em alguns alimentos, como leite e clara de ovo (albumina).
A albumina é a proteína da clara do ovo em pó, é um alimento hiperprotéico, à base exclusivamente de proteínas de alto valor biológico (SOARES, 2009). Já vem sendo utilizada por muitos anos por atletas de elite, praticantes de musculação e fisiculturismo, por ser uma proteína de alta qualidade. Atletas utilizam grandes quantidades desta proteína através do consumo de ovos e insistem em consumir a clara do ovo crua. Ocorre que a clara do ovo pode fazer mal a saúde, se consumida desta maneira, por possuir eventualmente bactérias indesejáveis. Outro problema de consumir albumina através da clara do ovo crua, é que desta maneira, outros nutrientes do alimento inibem a absorção de uma vitamina do complexo B, a biotina, umas das substâncias responsáveis por fornecer energia ao organismo. Por este motivo, o consumo de ovos crus foi sendo substituído por suplementos à base de albumina, bem mais concentrados e sem nenhum risco a saúde.
As proteínas do ovo possuem muitas propriedades funcionais tais como capacidade de formação de espuma, géis e emulsões. Além de sua excelente qualidade nutricional, a clara do ovo ou albúmen é amplamente utilizada em alimentos processados, devido a suas excelentes propriedades interfaciais (CHRIST, 2006).
A espuma de claras desempenha um importante papel em inúmeros produtos alimentares pois os torna leves em textura e contribui para seu crescimento. O batimento em excesso incorpora muito ar, distendendo a proteína de modo a torná-la fina e menos elástica. A elasticidade é necessária, especialmente nas espumas que vão ser assadas, de modo que, antes da proteína ser coagulada pelo calor do forno, o ar incorporado possa expandir-se sem romper as paredes celulares (GRISWOLD, 1972; FENNEMA, 1993).
FURTADO (2010) e SILVA (2008) utilizaram 5% de um composto proteico à base de albumina como dispersante e promotor de espuma para secagem em camada de espuma de polpa de seriguela e tamarindo respectivamente.
2.5. Liofilização
A liofilização ou criodesidratação (freeze-drying) é um processo de desidratação por sublimação, isto é, a transformação direta do gelo do alimento em vapor de d’água sem passar pelo estado de água líquida. O fundamento físico que explica o processo conhecido como liofilização é a coexistência dos três estados físicos da água (sólido, líquido e gasoso) sob temperaturas de aproximadamente 0ºC e pressão de 4,7 mmHg (milímetros de mercúrio) o qual refere-se ao chamado ponto triplo da água, possibilitando sua passagem diretamente do estado sólido para o gasoso, sem passar pela fase líquida (MELONI, 2003).
O congelamento deve ser rápido, para que se formem microcristais de gelo, que não danifiquem a membrana celular do alimento. Se o congelamento for lento, os cristais formados são grandes e rompem a membrana celular, acarretando perda do líquido citoplasmático e, consequentemente, encolhimento do alimento, que fica com aspecto de “murcho” (FRUTAL, 2003).
Liofilização é basicamente um processo de transferência de calor e de massa simultâneo, no qual o calor é fornecido para o produto congelado e o vapor d'água é removido continuamente. O processo é geralmente conduzido a vácuo, portanto o produto mantém-se congelado até a remoção da água. Na liofilização de alimentos, o projeto ótimo de um sistema deveria ser baseado numa alta taxa de secagem sem danificar a qualidade do produto por aquecimento (SARA VACOS, 1965). Segundo KING e CLARK (1968), liofilização de alimentos tem tido aplicação limitada porque as taxas de secagem obtidas são lentas e o equipamento requerido é muito caro. A taxa de secagem é lenta devido à limitação das forças motrizes para transferência de massa e de calor e porque a resistência à transferência de calor e
de massa é alta. Segundo GEORGE e DATTA (2002), a força motriz da pressão de vapor é muito baixa comparada com processos convencionais de secagem. Isto toma o tempo de secagem mais longo resultando em um custo relativamente alto.
A principal vantagem do processo de liofilização é a obtenção do produto de alta qualidade, devido à baixa indução de degradação térmica, à retenção de materiais voláteis responsáveis pelo aroma e pelo sabor e à estrutura rígida do material secado (LIAPIS e LITCHFIELD, 1979). Além disso, outras vantagens deste processo são: baixo conteúdo de água do produto seco, nível próximo à zero (quanto menor o conteúdo de água mais estável o produto). Segundo LIAPIS e LITCHFIELD (1982), devido à presença de reduzida quantidade de água, não há meio para proliferação de microrganismos; não existe necessidade de manuseamento do produto em local refrigerado; redução do peso e volume do produto, o que facilita a estocagem e o transporte; aumento da vida de prateleira do produto, ou seja, aumento da vida útil do produto, pela baixa atividade de água do mesmo.
Apesar de a liofilização proporcionar um produto desidratado de qualidade superior, o método ainda é muito caro, o que limita sua utilização industrial. Deste modo, o uso de liofilização pela indústria de alimentos é normalmente restrito para produtos de alto valor agregado, tais como café, algumas frutas e legumes crocantes, alguns ingredientes prontos para comer e ervas aromáticas (PAN et al. 2008). Além disso, os produtos liofilizados tendem a ser mais porosos, podendo reidratar mais rapidamente quando expostos a um ambiente úmido, o que nem sempre é uma característica desejável (Ochoa-Martínez et al. 2012).
2.6. Modelos de Secagem
Para a predição da redução do teor de umidade, no processo de secagem, seja ele simples ou sofisticado, é necessária uma equação de secagem em camada fina. A quantidade de equações disponíveis é muito grande e as curvas de secagem que elas originam podem apresentar valores que diferem entre si em até três vezes (HIEN et al., 2003)
O estudo de sistemas de secagem, seu dimensionamento, otimização e a determinação da viabilidade de sua aplicação comercial, podem ser feitos por simulação matemática. Para a simulação, cujo princípio se fundamenta na secagem de sucessivas camadas delgadas do produto, utiliza-se um modelo matemático que representa, satisfatoriamente, a perda de umidade do produto durante o período de secagem. Desta forma, modelos matemáticos dos processos de secagem são utilizados para o desenho de novos sistemas, para a melhoria dos já
existentes ou mesmo para o seu controle: podendo descrever o fenômeno e fornecer as informações necessárias sobre umidade e temperatura (OZDEMIR e DEVRES, 1999).
Durante o processo de secagem de materiais higroscópicos porosos, a taxa de secagem é proporcional ao teor de água livre no material. O modelo exponencial proposto por Lewis pode ser observado na Equação (1).
𝑑𝑈𝑏𝑠
𝑑𝑡 = −𝑘(𝑈𝑏𝑠− 𝑈𝑒𝑞) (1)
Onde:
𝑘 = constante de secagem (s-1);
𝑈𝑏𝑠 = umidade em base seca (kg H2O/ kg sólido);
𝑈𝑒𝑞 = umidade de equilíbrio (kg H2O/kg sólido);
t = tempo (s).
Desconsiderando-se os efeitos internos do material, a equação de Lewis presume que toda resistência ao transporte de umidade encontra-se na camada limite (KUKOZAWA, 2005). A determinação das razões de umidade da secagem é realizada pelo uso das Equações (2) e (3) que seguem.
𝑅𝑈 = exp (−𝑘𝑡) (2)
𝑅𝑈 = 𝑈𝑏𝑠−𝑈𝑒𝑞
𝑈𝑏𝑠𝑖−𝑈𝑒𝑞 .(3)
Segundo Diamante e Munro (1993), o modelo de Page parte da modificação do modelo de Lewis, ao qual foi adicionado o expoente n a variável tempo. A cinética de secagem tem sido empiricamente descrita pelo modelo empírico de Page (BAINI e LANGRISH, 2006; AFONSO JÚNIOR e CORRÊA, 1999; ZANOELO, CELSO e KASKANTZIS, 2007. Conforme se observa na Equação (4).
𝑅𝑈 = exp (−𝑘𝑡𝑛) (4)
Onde:
𝑅𝑈 = razão de umidade; 𝑘 =constante da equação (1/h);
n = constante adimensional do modelo de Page; t = tempo (min).
2.6.1. Coeficiente de difusividade
No processo de secagem o transporte de massa em um meio sólido é amplamente explicado através da Lei de Fick expressa em termo de gradiente de umidade. Um dos primeiros estudiosos a interpretar o processo de secagem como um fenômeno difusivo foi (LEWIS 1921). (SHERWOOD 1939), também confirmou que a difusão interna de um líquido predomina nos mecanismos internos de transferência de umidade.
Para expressar o mecanismo de difusão na taxa de transferência de umidade, recorre-se a Lei de Fick, que para geometria de placa plana e transferência de calor unidirecional, pode ser escrita por conforme Equação (5):
2 * L dX D X dt
(5) Onde:DL*é o coeficiente de difusão do líquido.
Como muitos sólidos alteram suas características durante a secagem, DL* raramente é constante. Para esta equação, além das condições de contorno deve-se conhecer as características de DL*. Devido à heterogeneidade apresentada pelos sólidos porosos costuma-se expressar a Lei de Fick em termos de um coeficiente de difusão efetivo.
SHERWOOD (1939) desenvolveu muitas pesquisas sobre a operação de secagem de sólidos, propondo que o movimento da umidade num sólido ocorre pelo mecanismo de difusão em fase líquida, e que segundo a Equação 6, a Lei de Fick pode ser aplicada para indicar a taxa de transporte de umidade em sólidos, onde o valor de q depende da geometria.
2 2 ef
X
X
q X
D
t
X
x
(6)A Equação (7) representa a solução para geometria plana (q = 0), considerando apenas o fluxo unidimensional na direção axial. O coeficiente de difusão raramente é constante, visto que é varia com o teor de umidade e com a temperatura (PERRY e CHILTON, 1980).
2 2 2 2 2 0 8 1 exp 2 1 4 2 1 ef e n i e D t X X n X X n l
(7)2.7. Produtos desidratados em pó
Devido a sua alta perecibilidade, a operação de secagem aplicada as mais diversas frutas constitui uma alternativa para ampliar mercados, aumentar lucros, diminuir perdas pós-colheita e obter produtos com maior vida de prateleira, devido à alta estabilidade microbiológica na forma de pó em comparação com a forma convencional líquida (ARAÚJO, 2014).
Os sucos de frutas podem ser conservados por períodos que variam de semanas a meses (ESTEVE et al., 2005; WALKLING-RIBEIRO et al., 2009) enquanto os produtos em pó produzidos a partir dos sucos podem ser conservados por meses e anos dependendo da embalagem (CHAUHAN; PATIL, 2013; HENRÍQUEZ et al., 2013). 2017).
Uma quantidade crescente de alimentos tem sido desenvolvida e comercializada na forma de pó. Tais produtos incluem café, cappuccinos, achocolatados, leite, sopas, molhos, bolos, alimentos infantis, entre outros. Esta tendência está principalmente ligada com a conveniência oferecida pelos produtos em pó, sua estabilidade química e microbiológica e a redução dos custos de transporte e armazenamento (FORNY et al., 2011).
O objetivo da produção de alimentos em pó é a sua diluição em um líquido para o consumo como uma bebida, ou misturados com outros ingredientes alimentícios, para formar suspensões, para uso doméstico ou industrial. Por isso, uma das propriedades mais importantes dos alimentos desidratados em pó é seu comportamento quando reconstituídos com água ou com soluções aquosas. Para os consumidores, a reconstituição dos alimentos em pó deve ser rápida e completa (Chen e Özkan, 2007; Forny et al., 2011). A estabilidade dos alimentos em pó é muito susceptível às variações ambientais, podendo ocorrer fenômenos indesejáveis, como colapso, stickiness (pegajosidade) e/ou caking (empedramento), durante a produção e armazenamento.
2.8. Higroscopicidade
A tendência de um material em adsorver água do ambiente onde se encontra define a higroscopicidade, uma característica fundamental dos produtos alimentícios que pode influenciar os processos de manuseio, processamento, estocagem e consumo. (BENEDETTI, 2010). O estudo da higroscopicidade dos alimentos pode ser feito através das isotermas de sorção, que consistem em curvas que descrevem a relação entre o conteúdo de umidade e a
atividade de água (aw) de um produto, à temperatura e pressão constante (CHAVES et al.,2004; BENEDETTI, 2010).
A higroscopiscidade em alimentos desidratados, notadamente em frutas, é uma das propriedades de maior importância, tanto do ponto de vista industrial quanto comercial, pois exerce influência em setores de embalagens (auto-aglomeração e perda de fluidez) e também está intimamente associada à estabilidade química, física e microbiológica destes produtos. Portanto, torna-se imprescindível o conhecimento do comportamento higroscópico de tais produtos, bem como das variáveis que o influenciam, para uma posterior otimização das condições de desidratação, condicionamento e armazenamento do mesmo (ALVES, 2007).
Com relação à composição química de frutas desidratadas foram verificados em vários trabalhos que, os açúcares são os principais responsáveis pala alta higroscopiscidade dos mesmos, devido a capacidade dos grupos hidroxílicos interagirem com as moléculas de água, principalmente por meio da formação de pontes de hidrogênio (ALVES, 2007).
Os produtos desidratados em pó encontram ampla aplicação em diversas formulações alimentícias de preparo instantâneo e são de fácil utilização em operação de adição e mistura em escala industrial. Esses produtos se caracterizam por possuírem um alto teor de sólidos solúveis com uma porção apreciável no estado amorfo (vítreo), que os torna altamente higroscópicos e sujeitos as mudanças físicas indesejáveis (PEREIRA, 2000; BEZERRA, 2014).
2.9. Avaliação sensorial
Para a avaliação da qualidade de um produto utilizam-se métodos objetivos que envolvem avaliações físicas, físico-químicas, químicas, biológicas e microbiológicas; e os métodos subjetivos ou sensoriais que avaliam os produtos através da impressão de um ou mais indivíduos. A avaliação pode ser realizada por testes informais de qualidade, por painéis de analistas treinados ou por testes especiais pelos consumidores (CHITARRA; CHITARRA, 2005).
De acordo com MINIM (2006), o uso da análise sensorial evoca, mede, analisa e interpreta reações das características dos alimentos que são percebidas pelos sentidos da visão, olfato, gosto, tato e audição. Como garantia de qualidade dos alimentos, os testes sensoriais são usados como medida de avaliação, pois os órgãos dos sentidos humanos possuem vantagens na detecção de pequenas alterações perceptíveis sensorialmente, o que geralmente não ocorre através de outros procedimentos analíticos (CARDELLO; CARDELLO, 1998). Segundo SOUZA E MENEZES (2006), as características sensoriais de um produto determinam o preferido e aceitável por um determinado público alvo.
Segundo OLIVEIRA (2009), para a realização de uma análise sensorial é importante que se tenha atenção com as amostras (quantidade, temperatura, codificação), a equipe de provadores (devem apresentar sensibilidade, interesse, disponibilidade, objetividade e boa saúde), o horário e o local dos testes (ventilação e iluminação). Um conjunto de especificações básicas deve ser seguido neste tipo de avaliação, para que se mantenha uma uniformidade em toda a metodologia empregada, de modo a manter uma padronização dos experimentos (MINIM, 2006).
Capítulo 3
3. Materiais e métodos
3.1. Matérias prima
Foram selecionadas para a elaboração do pó de banana, bananas pacovan (Musa
sapientum.), adquiridas nos mercados locais na cidade de Natal/RN isentas de doenças e danos
externos com uniformidade nas pencas e no grau de maturação 1 e 6 classificada de acordo com a Escala de Maturação de Von Loesecke (CEAGESP 2006). Para avaliar se os frutos adquiridos estavam realmente adequados ao processamento, foi observada visualmente sua coloração e realizado medidas dos sólidos solúveis totais de aproximadamente 3-5 e 23-25 °Brix para banana verde e madura respectivamente, através de um refratômetro digital. Para a secagem em camada de espuma, foi utilizada como agente espumante a albumina comercial (Naturovos) e incorporada na polpa da fruta.
3.2. Ensaios de secagem
Para analisar os diferentes efeitos individuais e combinados da temperatura, espessura da camada e concentração de albumina na cinética de secagem e nas características do produto em pó e reconstituído, foram realizados experimentos para as espumas de banana verde e madura conforme delineamento 33, com 2 repetições no ponto central, totalizando 58 ensaios,
cujas variáveis independentes foram concentração de albumina (2,5%, 5%, 7,5%), temperatura (60°C, 70 °C e 80°C) e espessura da camada de espuma (0,80 cm, 1,3 cm, 1,80 cm). Na Tabela 3.1 mostram-se as condições operacionais em que foram realizados os experimentos
Tabela 3.1 - Delineamento Experimental para os ensaios de secagem em camada de espuma.
Ensaios Temperatura (°C) Albumina (%) Espessura (cm) 1 60 (-1) 2,5 (-1) 0,8 (-1) 2 60 (-1) 2,5 (-1) 1,3 (1) 3 60 (-1) 2,5 (-1) 1,8 (0) 4 60 (-1) 5,0 (1) 0,8 (-1) 5 60 (-1) 5,0 (1) 1,3 (1) 6 60 (-1) 5,0 (1) 1,8 (0) 7 60 (-1) 7,5 (0) 0,8 (-1) 8 60 (-1) 7,5 (0) 1,3 (1) 9 60 (-1) 7,5 (0) 1,8 (0) 10 70 (1) 2,5 (-1) 0,8 (-1) 11 70 (1) 2,5 (-1) 1,3 (1) 12 70 (1) 2,5 (-1) 1,8 (0) 13 70 (1) 5,0 (1) 0,8 (-1) 14 70 (1) 5,0 (1) 1,3 (1) 15 70 (1) 5,0 (1) 1,8 (0) 16 70 (1) 7,5 (0) 0,8 (-1) 17 70 (1) 7,5 (0) 1,3 (1) 18 70 (1) 7,5 (0) 1,8 (0) 19 80 (0) 2,5 (-1) 0,8 (-1) 20 80 (0) 2,5 (-1) 1,3 (1) 21 80 (0) 2,5 (-1) 1,8 (0) 22 80 (0) 5,0 (1) 0,8 (-1) 23 80 (0) 5,0 (1) 1,3 (1) 24 80 (0) 5,0 (1) 1,8 (0) 25 80 (0) 7,5 (0) 0,8 (-1) 26 80 (0) 7,5 (0) 1,3 (1) 27 80 (0) 7,5 (0) 1,8 (0) Fonte: O autor (2019)
3.3. Ajuste do Modelos
Com os valores da umidade em base seca em função do tempo, foram construídas as curvas características de secagem e as curvas correspondentes à massa acumulada de água evaporada em função do tempo. A partir destas curvas foi possível identificar o período de taxa constante de cada experimento, sendo as taxas de secagem neste período calculadas através da linearização dos dados da massa evaporada em função do tempo. Considerando a umidade de equilíbrio como a umidade alcançada ao se atingir peso constante, foram calculadas as razões de umidade (MR) Equação (8). Aos dados da razão de umidade em função do tempo ao longo de toda a secagem foram ajustados os modelos matemáticos de Page Equação (9), Midilli et al.
(2002) Equação (10), conforme mostrado na Tabela 3.3, utilizando-se o programa Statistica 10. A (MR) é definida como sendo a diferença entre a umidade, em base seca, em um dado tempo
t de secagem, e a umidade de equilíbrio, dividida pela diferença entre a umidade no início da
secagem e a umidade de equilíbrio.
𝑀𝑅 = 𝑀𝑡 −𝑀𝑒
𝑀𝑜 −𝑀𝑒 (8)
Tabela 3.3 - Modelos matemáticos de Page e Midilli
Em que MR é a razão de umidade; Mt são os teores de umidade em base seca, Me de
equilíbrio e Mo inicial em (kg/ kg), a, b, n são parâmetros adimensionais dos modelos; t é o
tempo (min); k constante de secagem (min-1).
3.4. Difusividade Efetiva
A partir do ajuste dos dados da razão de umidade em função do tempo para o período de taxa decrescente foi ajustado o modelo de Fick representado na Equação (11) para placa plana (Crank, 1975). O modelo difusional de Fick, aplicado a períodos de taxas de secagem decrescentes, foi ajustado usando os sete primeiros termos (i = 1, 2,7) da série de Fourier.e a umidade inicial como a umidade crítica alcançada no período de taxa constante. O Deff foi
determinado por regressão não linear usando o software Statistica 7.0. MR= 8 π2 ∑ 1 (2n+1) ∞ n=0 exp [- (2n+1)2 π2 Deft 4L2 ] (11)
onde MR é a razão de umidade adimensional, L é a espessura da camada de espuma (m), Deff
é a difusividade efetiva (m²/s)e t é tempo (s).
3.5. Processamento da banana
As frutas selecionadas foram submetidas à pré-lavagem com água corrente para remover sujeiras e outros materiais estranhos. Logo após a carga microbiana foi reduzida imergindo as
Designação do modelo Modelo Equação
Page (9)
Midilli (10)
𝑀𝑅 = exp(−𝑘𝑡𝑛)
frutas em solução de hipoclorito de sódio na concentração 50 ppm à temperatura ambiente (25°C) por um período de 30 minutos e logo após foram enxaguados em água corrente, para retirar o excesso da solução.
As frutas lavadas e sanitizadas, foram descascadas manualmente com o auxílio de uma faca e cortados ao meio, em fatias de aproximadamente 2 cm de espessura. Para minimizar o escurecimento enzimático realizou-se um pré-tratamento por imersão em 1% (w/w) de solução de metabissulfito de sódio por dois minutos, para evitar a descoloração durante a formação de espuma, com enxague em água destilada durante trinta segundos (Krokida et al. 2000).