3.2 Determinação de parâmetros físicos
3.2.1 Determinação da constante de Henry do CO 2
Os procedimentos descritos a seguir forma utilizados para a determinação da constante de Henry do CO2 dissolvido em queijo Minas
frescal tradicional, queijo Minas frescal light e gordura láctea bovina anidra. Para os ensaios de determinação dos parâmetros físicos, os queijos utilizados foram adquiridos, no máximo, quatro dias após a produção.
Amostras cilíndricas com de 28 mm de diâmetro e massa variando entre 52 e 60g foram colocadas em um vaso hermético, conforme ilustrado pela Figura 3-1, para determinação da constante de Henry utilizando método manométrico adaptado de Siversvik et al. (2004a) e Cabral (2011). A altura do cilindro foi calculada em função do volume para cada experimento.
O recipiente cilíndrico encamisado foi confeccionado em aço inoxidável (tipo 316 L) e dimensões de 0,057 m de diâmetro e 0,205 m altura medidos internamente. A temperatura do sistema foi mantida constante pela passagem de água pela camisa conectada a um banho termostatizado (Quimis, 6214m2, Brasil).
Para registro da temperatura do gás e do produto, dois termopares tipo J (ferro-constantan, Salvi Casagrande, Brasil) foram instalados no interior da câmara. A pressão total do sistema foi medida por um transdutor de pressão relativa (Velki, modelo IT-TR, 4-20 mA, Brasil). O transdutor de pressão e os termopares foram ligados a um sistema de aquisição de dados (Agilent, Data Acquisition 34970A, EUA), conectado ao computador com auxílio do software Benchlink Data Logger 3.0 (Agilent, 2009). Foram coletados dados de pressão e temperatura a cada 30 segundos durante os experimentos.
O aparato foi equipado com duas válvulas micrométricas (Swagelok, Brasil), sendo uma conectada ao cilindro de CO2 (Linde,
99,9% de pureza, Brasil) e outra utilizada para saída do gás, alívio da pressão e medidas da composição gasosa.
Para verificar o fechamento hermético do aparato foram realizados testes isotérmicos com CO2 no recipiente vazio, com duração
de aproximadamente 24 horas e pressão relativa de 200 kPa. O volume interno livre total do equipamento, incluindo volume livre das válvulas e conexões, é de 538 cm3, determinado pelo volume de água destilada que pode ser adicionada em seu interior.
A constante de Henry para o CO2 dissolvido no produto foi
determinada pela razão entre pressão parcial de CO2 e concentração de
CO2 dissolvido, ambas em equilíbrio, conforme a Equação (11).
𝐻𝐶𝑂 2 𝑝 = 𝑃𝐶𝑂∞2 𝐶𝐶𝑂∞2 (11) onde 𝐻𝐶𝑂 2
𝑝 é a constante de Henry para o CO2 no produto (Pa ppm
-1 ), 𝑃𝐶𝑂2 ∞ é a pressão parcial de CO 2 no equilíbrio (Pa) e 𝐶𝐶𝑂2 ∞ é a
Figura 3-1- Aparato experimental para determinação da solubilidade e coeficiente de difusão efetivo do CO2 em alimentos que não respiram.
A concentração de CO2 dissolvido no alimento foi determinada
por um balanço de massa entre a fase gasosa e o alimento, considerando que toda variação de pressão do sistema é devido à solubilização de CO2. Foi utilizada a equação cúbica de estado de Van der Waals
(Equação (12)) para correlacionar a variação de pressão do sistema com a variação do número de mols de CO2, considerando que não há
solubilização de N2 e O2 no produto. 𝑛 = 𝑃𝐶𝑂2+ 𝑎 𝑛 𝑉𝑔 2 𝑉𝑔− 𝑛𝑏 ÷ 𝑅𝑇 (12)
onde, a e b são parâmetros da equação cúbica de estado (a = 0,3640 J m3 mol-2 e b = 4,27 10-5 m3 mol-1 para o CO2).
A equação cúbica de Van der Waals foi solucionada por método iterativo até a convergência dos valores. O valor inicial do número de mols de CO2 no processo iterativo foi dado pela equação dos gases
ideais.
Para determinação da pressão parcial de CO2, foram calculadas
medição (30 segundos). A fração inicial de CO2 (% CO2) foi
determinada de acordo com a Equação (13), validada por ensaios preliminares realizados com o aparato experimental vazio, cuja a composição da fase gasosa após pressurização com CO2 foi medida com
analisador de gás (Checkmate II, PBI-Dansensor, Dinamarca).
% 𝐶𝑂2𝑖= 0,99
𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑖 − 𝑃 𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑖 100
(13)
onde, 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑖 é a pressão absoluta total do sistema no início do processo e
𝑃𝑎𝑡𝑚 é a pressão atmosférica e o índice 0,99 representa o grau de pureza
do gás (99%).
A fração de CO2 durante o experimento foi determinada
considerando que toda a massa de N2 e O2 é constante na fase gasosa do
sistema (considerados inertes), de acordo com a Equação (14).
% 𝐶𝑂2(𝑡) =
𝑛𝐶𝑂2(𝑡)
𝑛𝐶𝑂2 𝑡 + 𝑛𝑖𝑛𝑒𝑟𝑡𝑒
100 (14)
onde, % 𝐶𝑂2(𝑡) é a fração de CO2 na fase gasosa em função do tempo,
𝑛𝐶𝑂2(𝑡) é o número de mols de CO2 em função do tempo, determinado
pela equação de Van der Waals, e 𝑛𝑖𝑛𝑒𝑟𝑡𝑒 é o número de mols de inerte
(O2 e N2).
O número de mol de inerte foi calculado conforme Equação (15).
𝑛𝑖𝑛𝑒𝑟𝑡𝑒 =
𝑛𝐶𝑂 2𝑖
% 𝐶𝑂2𝑖
− 𝑛𝐶𝑂 2𝑖 (15)
Por fim, a concentração de CO2 dissolvido no alimento foi dada
pela variação molar de CO2 na fase gasosa determinada pela variação de
pressão total no sistema, conforme Equação (16). Para o cálculo da constante de Henry foi considerado o tempo de equilíbrio.
𝐶 𝐶𝑂2 𝑡 =
𝑛𝑔𝑖 − 𝑛𝑔𝑡 𝑀𝐶𝑂2
𝑚𝑝
onde, 𝐶 𝐶𝑂2 𝑡 é a concentração média de CO2 no tempo t (ppm), 𝑛𝑔 𝑖 é o
número de mols de CO2 na fase gasosa no início do processo de
solubilização, 𝑛𝑔𝑡 é o número de mols de CO2 no tempo t, 𝑀𝐶𝑂2 é a
massa molar de CO2 (mg mol -1
) e 𝑚𝑝 é a massa de produto (kg).
Substituindo a Equação (16) na Equação (11), quando o tempo tende a infinito, obtém-se a constante de Henry do CO2 no alimento.
3.2.1.1 Predição da constante de Henry do CO2 em produtos lácteos Considerando que o CO2 solubiliza nas fases aquosa e lipídica
dos alimentos, conforme descreve a literatura científica, uma abordagem para predizer a constante de Henry nos produtos lácteos em função do teor de umidade e gordura será proposta.
Utilizando as técnicas descritas no item 3.2.1, foi criado um banco de dados de solubilidade (inverso da constante de Henry) do CO2
em gordura láctea bovina anidra em função da temperatura. Os valores para a constante de Henry do CO2 em água são obtidos de acordo com
Carroll et al. (1991), com uma equação de ajuste da solubilidade de CO2
na água em função da temperatura.
A concentração de CO2 dissolvido no alimento lácteo pode, em
tese, ser predita de acordo com a Equação (17), já a constante de Henry do CO2 dissolvido no alimento poderá ser predita de acordo com a
Equação (18). 𝐶𝐶𝑂∞2 = 𝑃𝐶𝑂∞2 𝑥𝑎 𝐻𝑎 +𝑥𝑔 𝐻𝑔 (17) 𝐻𝑝 = 𝑥𝑎 𝐻𝑎 +𝑥𝑔 𝐻𝑔 −1 (18) onde, 𝐶𝐶𝑂2 ∞ é a concentração de CO
2 dissolvido no produto no equilíbrio
(ppm), 𝑃𝐶𝑂2
∞ é a pressão parcial de CO
2 no equilíbrio (Pa), 𝑥𝑎 e 𝑥𝑔 são as
frações mássicas de água e de gordura no produto, respectivamente, e 𝐻𝑎 e 𝐻𝑔 são as constantes de Henry para CO2 dissolvido em água e