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Produção de pó de banana verde e madura através da secagem em camada de espuma: otimização das condições de processo e avaliação do produto

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Centro de Tecnologia

Departamento de Engenharia Química

Programa de Pós-graduação em Engenharia Química

TESE DE DOUTORADO

PRODUÇÃO DE PÓ DE BANANA VERDE E MADURA ATRAVÉS DA

SECAGEM EM CAMADA DE ESPUMA – OTIMIZAÇÃO DAS

CONDIÇÕES DE PROCESSO E AVALIAÇÃO DO PRODUTO

Camilla Emanuelle Mendes Rocha Gurgel

Orientadora: Profª. Drª. Maria de Fátima Dantas de Medeiros

NATAL/RN NOVEMBRO/2019

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CAMILLA EMANUELLE MENDES ROCHA GURGEL

PRODUÇÃO DE PÓ DE BANANA VERDE E MADURA ATRAVÉS DA

SECAGEM EM CAMADA DE ESPUMA – OTIMIZAÇÃO DAS

CONDIÇÕES DE PROCESSO E AVALIAÇÃO DO PRODUTO

Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutora em Engenharia Química, sob a orientação da Drª. Maria de Fátima Dantas de Medeiros.

NATAL/RN NOVEMBRO/2019

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Gurgel, Camilla Emanuelle Mendes Rocha.

Produção de pó de banana verde e madura através da secagem em camada de espuma: otimização das condições de processo e avaliação do produto / Camilla Emanuelle Mendes Rocha Gurgel. - 2020. 120 f.: il.

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia química. Natal, RN, 2019.

Orientadora: Profa. Dra. Maria de Fátima Dantas de Medeiros.

1. Secagem - Tese. 2. Ajuste de modelos - Tese. 3. Sensorial - Tese. I. Medeiros, Maria de Fátima Dantas de. II. Título. RN/UF/BCZM CDU 66.0

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GURGEL, C. E. M. R. Produção de pó de banana verde e madura através da secagem em camada de espuma – otimização das condições de processo e avaliação do produto. Tese de Doutorado. UFRN, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Área de concentração: Engenharia Química,Linha de pesquisa: Tecnologia e Engenharia de Alimentos. Natal, RN, Brasil, 2019.

Orientadora: Profª. Dr.ª Maria de Fátima Dantas de Medeiros.

Resumo: Estudou-se a secagem das espumas de bananas verde e madura com albumina,

considerando como variáveis independentes a concentração de albumina (2,5; 5,0 e 7,5%), temperatura de secagem (60, 70 e 80 °C) e a espessura da camada de espuma (0,8; 1,3 e 1,8 ± 0,02 cm). Os experimentos foram realizados conforme um planejamento experimental 33, com 2 repetições no ponto central. Investigou-se o efeito da concentração de albumina e do tempo de batimento na densidade e expansão das espumas. Foram obtidas as curvas de secagem e ajustados os modelos de Page e Midilli, aos dados experimentais de razão de umidade em função do tempo ao longo de todo o período de secagem e o modelo Fick aos dados do período de taxa decrescente. Avaliou-se o efeito da temperatura (60°C, 70°C, e 80°C) sobre as características físico químicas dos pós obtidos na secagem das espumas com 5% de albumina e espessura de 0,8 cm. Determinou-se a umidade, o teor de sólidos solúveis, pH, atividade de água, solubilidade e higroscopiscidade dos pós. Além da composição nutricional foram analisados os teores de ácido ascórbico e compostos fenólicos e a capacidade antioxidante dos produtos em pó. O tempo de batimento e a concentração que resultou na maior expansão foram 4 minutos e 5% de albumina. Identificaram-se em todas as curvas de secagem um período de taxa constante e outro de taxa decrescente. Os efeitos das variáveis independentes sobre os parâmetros de secagem foram avaliados, observando-se através das análises estatísticas o efeito da temperatura e espessura nas taxas de secagem tanto no período de taxa constante, como na taxa média de secagem considerando os períodos de taxas constante e decrescente. As variáveis de operação apresentaram efeitos significativos sobre a difusividade efetiva, entretanto foram verificados efeitos opostos da concentração de albumina e espessura para as bananas verde e madura. Para ambas os estágios de maturação, os pós resultantes da secagem das espumas e da liofilização apresentaram umidade e atividade de água baixas e características não higroscópicas, concluindo-se que a caracterização dos mesmos atende as normas brasileiras estabelecidas para produtos agroindustriais. A análise sensorial mostrou que a formulação de uma vitamina com adição de 30% do pó da banana madura e leite estatisticamente não diferiu em sabor da mistura elaborada com banana in natura e leite.

Palavras chaves: Secagem; Albumina; Ajuste de modelos; Coeficiente de difusividade;

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GURGEL, C. E. M. R. Production of green and ripe banana powder through drying in a foam

mat - optimization of process conditions and product evaluation. Doctorate Thesis. UFRN, PPGEQ, Natal, RN, Brazil, 2019.

Advisor: Profª. Dr.ª Maria de Fátima Dantas de Medeiros.

Abstract: The drying of green and ripe banana foams with the addition of albumin was studied, considering albumin concentration (2.5; 5.0 and 7.5%), drying temperature (60, 70 and 80 °) as independent variables. C) and the thickness of the foam layer (0.8; 1.3 and 1.8 ± 0.02 cm). The experiments were carried out according to an experimental plan 33, with 2 repetitions at the

central point. The effect of albumin concentration and beat time on foam density and expansion was investigated. The drying curves were drawn and the Page and Midilli models were adjusted to the experimental data of humidity ratio as a function of time throughout the drying period and the Fick model to those of the decreasing rate period. It evaluated the effect of temperatures (60 ° C, 70 ° C, and 80 ° C) on the physical and chemical characteristics of the powders obtained from drying the foams with 5% albumin and 0.8 cm thickness. Moisture, soluble solids content, pH, proximate composition, water activity, apparent and tested density, fluidity, solubility and hygroscopicity of the powders were determined, in addition to the ascorbic acid content, phenolic compounds and antioxidant capacity. The beating time and concentration that resulted in the greatest expansion was 4 minutes and 5% albumin. A period of constant rate and another of decreasing rate were identified in all drying curves. The effects of the independent variables on the drying parameters were evaluated, observing through the statistical analysis the effect of temperature and thickness on the drying rates both in the period of constant rate, and in the average rate of drying considering the periods of constant rates and decreasing. The operating variables showed significant effects on the effective diffusivity, however, opposite effects of albumin concentration and thickness were verified for green and ripe bananas. For both fruits, the powders resulting from drying the foams and freeze-drying showed low humidity, water activity and non-hygroscopic, concluding that the characterization of the banana powders was satisfactory and is in accordance with the Brazilian standards established for agro-industrial products. Sensory analysis showed that the formulation of a vitamin with the addition of 30% of the ripe banana powder and milk did not differ in flavor from the mixture made with fresh banana and milk.

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Agradecimentos

À Deus, pela saúde, por suas bênçãos e proteção. Por iluminar o meu caminho para seguir a diante.

Aos meus pais, Clidenor (in memoriam) que certamente estaria muito orgulhoso da filha e Telma, por me apoiar em todas as minhas escolhas e necessidades. Obrigada pelo amor, educação, cuidado, paciência e carinho que me deram em todos os momentos da minha vida. Ao meu querido marido Thiago, pelo carinho, cumplicidade, paciência, incentivo e grande apoio durante toda a graduação e pós- graduação e aos meus amados filhos Guilherme e Marina, que são a minha alegria de vida, sem vocês eu não conseguiria.

As minhas queridas irmãs Tereza e Andréia, pelo amparo e apoio nos momentos difíceis. Aos meus sobrinhos pelos momentos de descontração.

À minha orientadora, Professora Maria de Fátima Dantas de Medeiros, por toda sua orientação durante o mestrado e doutorado. Pela paciência e dedicação com a qual me orientou, por todas as discussões e conselhos e que serviram para o desenvolvimento deste trabalho.

Aos professores das bancas de qualificação e defesa Marcello Maia de Almeida, Odelsia Leonor Sanchez de Alsina, Kátia Cristina Borges, Thayse Nayanne Pires Dantas, Marcia Regina da Silva Pedrini, por participarem da banca de defesa da dissertação e por todas as sugestões de melhoria deste trabalho.

À Thayse Nayanne, pela ajuda, pelos ensinamentos e experiências compartilhadas durante todas as partes deste trabalho.

As amigas e companheiras de pós-graduação Cinthia, Juliana, Suziani, Izadora Machado (Dorinha) e Judit pela ajuda e grande parceria, pelo apoio nos momentos de desânimo e pelos grandes momentos de descontração e bate papos.

Aos amigos de laboratório de Engenharia de Alimentos, Taise, Francisca e Fabinho pela ajuda nas análises.

Aos funcionários do PPGEQ, pela disponibilidade e atenção. A UFRN e CAPES pela oportunidade e a todos muito obrigada!

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Sumário

1. Introdução...14

1.1 Objetivo geral; ...16

1.2 Objetivo específico...16

2. Revisão bibliográfica...19

2.1 Características botânicas, morfológicas e de cultivo de banana (Musa ssp) ...19

2.2 Banana (Musa ssp.) ...20

2.2.1 Banana verde...23

2.3 Secagem...25

2.4 Secagem em camada de espuma - foam-mat drying...28

2.4.1 Agente Espumante...32 2.5 Liofilização...34 2.6 Modelos de Secagem...35 2.6.1 Coeficiente de Difusividade...37 2.7 Produtos desidratados em pó...38 2.8 Higroscopicidade...38 2.9 Avaliação sensorial...39 3. Materiais e métodos...42 3.1 Matérias prima...42 3.2 Ensaios de secagem...42 3.3 Ajuste do Modelos...42 3.4 Difusividade Efetiva...44 3.5 Processamento da banana...44

3.6 Preparação das espumas...45

3.7 Secagem em Camada de Espuma...46

3.8 Liofilização...47

3.9 Caracterizações do purê de banana pacovan...48

3.9.1 Caracterização química e físico-química...48

3.9.2 Caracterização física...49

3.10 Análise da morfologia das espumas...50

3.11 Caracterização dos pós de banana liofilizados e em camada de espuma...50

3.11.1 Higroscopicidade...51

3.11.2 Solubilidade...51

3.11.3 Microscopia eletrônica de varredura...51

3.11.4 Difração de raios-x...52

3.11.5 Avaliação dos compostos bioativos da banana...52

3.12 Análise microbiológica...53

3.13 Análise Sensorial...53

3.14 Avaliação estatística dos resultados do planejamento experimental e otimização...55

4. Resultados e Discussão...57

(9)

4.2 Densidade e percentual de formação de espuma...58

4.3 Morfologia das espumas...60

4.4 Secagem em camada de espuma...63

4.5 Ajuste dos modelos de Page e Midilli aos dados experimentais...68

4.6 Difusividade Efetiva...73

4.7 Análise Estatística...78

4.8 Composição Nutricional...93

4.9 °Brix, Acidez e pH...95

4.10 Umidade, atividade de água, higroscopiscidade e solubilidade dos pós...96

4.11 Difração de raios-X (DRX)...98

4.12 Ácido Ascórbico, Composto Fenólicos Totais e Determinação da atividade antioxidante pelo método e DPPH...100

4.13 Microscopia do pó...101

4.14 Análise Microbiológica...103

4.15 Análise Sensorial ...104

4.15.1 Teste de Comparação Múltipla...104

5. Conclusões...107

(10)

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Escala de maturação de bananas... 23

Figura 2.2 – Curva típica de secagem – umidade em função do tempo...27

Figura 2.3 – Gráfico de Umidade de Equilíbrio...28

Figura 2.4 -Estrutura da espuma...33

Figura 3.1- Imagem do tratamento da banana e batimento das espumas...45

Figura 3.2- Imagens das placas com as espumas de banana desidratadas e estufa de circulação de ar...47

Figura 3.3 - Liofilizador de bancada...47

Figura 3.4- Pó de banana obtido pelo método de secagem em camada de espuma...48

Figura 3.5- Tabela para Teste de comparação múltipla...55

Figura 4.1 – Densidade da espuma de banana madura em função do tempo de batimento para diferentes concentrações de albumina...59

Figura 4.2 – Densidade da espuma de banana verde em função do tempo de batimento para diferentes concentrações de albumina...59

Figura 4.3 – Fotomicrografia da banana madura e verde sem batimento (A) e (E) e com batimento de 4 minutos com albumina e concentração de 2,5% (B) e (F), 5% (C) e (G) e 7,5% (D) e (H)...62

Figura 4.4- Umidade em base seca em função do temo para as espumas de banana madura (A) e verde (B)...64

Figura 4.5-Razão da massa acumulada de água evaporada por unidade de massa seca em função do tempo para as espumas de banana madura (A) e verde (B)...64

Figura 4.6 – Taxa de secagem específica no período de taxa constante para todos os experimentos...67

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Figura 4.7 – Tempo de secagem no período de taxa constante para todas os

experimentos...67

Figura 4.8 – Umidade crítica alcançada no período de taxa constante para todos os experimentos...68

Figura 4.9- Razão de umidade em função do tempo para a secagem da espuma de banana madura (A) e verde (B), respectivamente. Ajuste do modelo de Page...69

Figura 4.10- Razão de umidade em função do tempo para a secagem da espuma de banana madura (A) e verde (B), respectivamente. Ajuste do modelo de Midilli...69

Figura 4.11-Parâmetro k para todos os experimentos...73

Figura 4.12-Difusividade efetiva para todos os experimentos...75

Figura 4.13-Umidade de equilíbrio para todos os experimentos...76

Figura 4.14- Tempo de equilíbrio para todos os experimentos...76

Figura 4.15- Valores preditos e observados para a taxa de secagem no período de taxa constante para a banana madura...81

Figura 4.16- Valores preditos e observados para o tempo de equilíbrio para a banana madura...82

Figura 4.17- Valores preditos e observados para a constante de Page para a banana madura ...82

Figura 4.18- Valores preditos e observados para a taxa de secagem constante para a banana verde...83

Figura 4.19- Valores preditos e observados para tempo de equilíbrio para a banana verde…83 Figura 4.20- Valores preditos e observados para a constante k para a banana verde…...84

Figura 4.21- Teq=f(T,E), C=5% (Banana Madura)...86

Figura 4.22- K=f(T,C), E= 1,3cm...87

Figura 4.23- K=f(T,C), C= 5%...88

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Figura 4.26- K=f(E,T), C= 5%...91 Figura 4.27- Teq=f(E,T), C=5%...92 Figura 4.28- Difratogramas de banana madura liofilizadas (A) e dos pós de banana seco em camada de espuma nas temperaturas de 60°C (B), 70°C (C) e 80°C (D)...99 Figura 4.29- Difratogramas de banana verde liofilizadas (A) e dos pós de banana seco em camada de espuma nas temperaturas de 60°C (B), 70°C (C) e 80°C (D)...100 Figura 4.30 - Microsgrafia MEV do pó de (A) e (E) banana madura e verde liofilizada e na mesma concentração de 5% de albumina com diferentes temperaturas de secagem (B) e (F) 60, (C) e (G) 70 e (D) e (H) 80 °C (100 x) ...103

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Lista de Tabela

Tabela 2.1– Classificação histórica de Linneu e a classificação de Simmonds, para as variedades debanana...20 Tabela 2.2– Composição nutricional da banana por 100g de polpa...22 Tabela 3.1– Delineamento Experimental para os ensaios de secagem em camada de espuma...43 Tabela 3.2 –Modelos Matemáticos de Page e Midilli...44 Tabela 3.3 – Classificação dos pós de acordo com sua higroscopiscidade...51 Tabela 3.4- Quantidades de pó de banana, água e leite integral utilizadas na preparação de 1500g da banana smoothie...54 Tabela 4.1-Características físico-químicas...58 Tabela 4.2- Expansão das espumas de banana madura e verde...60 Tabela 4.3 – Resultado experimentais e ajuste do modelo linear aos dados da secagem no período da taxa constante das bananas verde e madura, conforme o planejamento experimental...66 Tabela 4.4 -Parâmetros de ajustes do modelo de Page e Midilli ajustados aos dados experimentais da razão de umidade em função do tempo...71 Tabela 4.5-Parâmetros dos modelos de Page e Midilli ajustadso aos dados experimentais da razão de umidade em função do tempo...72 Tabela 4.6- Difusividade efetiva (Def.) de espumas banana madura e verde...74 Tabela 4.7- Resultados das variáveis respostas do Planejamento experimental...75 Tabela 4.8- Estimativas dos efeitos das variáveis independentes sobre as variáveis respostas (WC, Ueq, Teq,, KPage, Def.) na secagem das bananas madura...78 Tabela 4.9- Estimativas dos efeitos das variáveis independentes sobre as variáveis respostas (WC, Ueq, Teq,, KPage, Def.) na secagem das bananas verde...79 Tabela 4.10 –Resultado da Análise de Regressão dos parâmetros de secagem...85

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Tabela 4.11 –Valores médios e desvio padrão da composição centesimal do pó de banana madura pura (liofilizada), com 5% de albumina...94 Tabela 4.12 –Sólidos solúveis(°Brix), acidez, pH de pós de banana madura e verde, puras (liofilizadas) e resultante da secagem em camada de espuma em diferentes condições de temperatura...96 Tabela 4.13 –Umidade, Atividade de água (Aw), higroscopiscidade e solubilidade dos pós de

banana pura (liofilizada) e em diferentes condições de temperaturas...97 Tabela 4.14 –Teor de compostos bioativos (ácido ascórbico e composto fenólicos totais) e atividade antioxidante para o pó de banana liofilizado e em camada de espuma...101 Tabela 4.15 –Teste de diferença do controle das amostras reconstituídas com diferentes concentrações de pó de banana...104

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Capítulo 1

Introdução

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1. Introdução

A banana (Musa spp.) é uma das frutas que apresentam alto valor energético e calórico, por isso é um componente importante na dieta humana. O Brasil vem elevando sua produção e destacando-se entre os principais produtores globais, ocupando o quinto lugar em 2014 (FAOstat, 2017), com uma produção em 2016 em torno de 6.962.134 toneladas em 516.980 hectares (IBGE, 2017). Estes números refletem a grande expressão econômica e o elevado alcance social desta cultura para o país. Esse fruto apresenta-se como fonte importante de nutrientes, especialmente de potássio, e contém ingredientes benéficos para a saúde (Anyasi et

al. 2013).

No manuseio da banana, as perdas quantitativas e qualitativas atingem valores significativos nas diferentes etapas, que vão desde o processo de colheita e armazenamento, até a distribuição e venda. (CARDOSO et al., 2008). Além disso, a banana é um produto altamente perecível, devido ao rápido amadurecimento e escurecimento do fruto, provocado, principalmente, pela expressiva atividade de água além das ações enzimáticas e microbiológicas. Sua comercialização deve ser rápida, racional e realizada com uma série de cuidados para evitar perdas expressivas e garantir que fruto chegue ao seu destino em boas condições (Park et al. 2015). Torna-se interessante, portanto, prolongar a vida de prateleira deste alimento por meio da implantação de métodos de transformação dessa matéria-prima, como a desidratação, para minimizar essas perdas e agregar valor ao produto.

O segmento de frutas desidratadas ganha importância no mercado de frutas processadas, tendência facilmente perceptível pela elevação do número de produtos disponíveis. A obtenção da fruta em pó traz uma série de benefícios ao produto final como praticidade, redução de peso e volume, diminuindo os custos com o transporte e armazenamento. Além disso, proporciona estabilidade ao alimento, já que, a redução da atividade de água promove a redução do risco de degradação por contaminação microbiana ou reações bioquímicas. Além do comércio tradicional, grande número de frutas desidratadas é ofertado no comércio eletrônico, com atribuições fantásticas, mas sem qualquer comprovação científica de suas propriedades (Borges, 2011).

Com o intuito de aumentar a vida útil das frutas, sem alterar suas características nutritivas e sensoriais, tecnologias de processamento e pré-processamento de frutas têm sido pesquisadas e introduzidas no setor agroindustrial. Pelo processamento agroindustrial, o

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desperdício pode ser minimizado, aumentando-se o consumo dessas frutas no período da entre safra (Souza, 2009).

A maior parte da banana produzida no Brasil é comercializada na forma in natura, conforme a preferência do consumidor, mas o fruto apresenta vida útil pequena e por isso grande parte é processada na forma de doces com grande concorrência no mercado. Para o mercado, o pó de banana, seria um produto novo, com praticidade de uso, maior tempo de conservação das características sensoriais (cor, aroma, sabor, textura). Tal produto seria ideal para as indústrias de alimentos, restaurantes e lanchonetes que a utilizariam na formulação de produtos como misturas prontas para bolos, sorvetes, iogurtes, sucos, vitaminas dentre outras opções (LIMA, 2000; MEDINA et al. 1985; MATSUURA e FOLEGATI, 2001).

As frutas processadas vêm sendo valorizadas pelos consumidores, pois constituem produtos saudáveis com características como praticidade e higiene. Porém, para um produto processado apresentar características sensoriais e nutricionais similares às da matéria-prima é necessário minimizar o impacto do processamento de forma que estas características sejam preservadas. A desidratação em camada de espuma e a liofilização são processos considerados de brando impacto que mantém a qualidade dos produtos desidratados.

A secagem é um processo térmico com alto consumo de energia onde as transferências de calor e massa ocorrem simultaneamente. Modelos matemáticos que representam os processos de secagem são utilizados para o desenho de novos secadores, para a melhoria dos já existentes ou mesmo para o seu controle. O método da camada de espuma já foi aplicado na secagem e produção de pós de diversos frutos e vegetais como: manga (Bastos et al. 2005; Rajkumar et al. 2007), tomate (Kadam e Balasubramanian, 2011), mamão (Kandasamy et al., 2012) e banana (Thuwapanichayanan et al. 2012. Nos últimos anos são encontrados muitos estudos propondo a utilização de modelos fenomenológicos, empíricos ou semi-empíricos que se ajustem aos dados da cinética de secagem em camada de espuma de muitos alimentos e principalmente de frutas.

O processo de desidratação em camada de espuma (Foam mat drying), desenvolvido por Morgan et al. (1959), apresenta-se como uma alternativa para produção de alimentos em pó por se tratar de um processo simples, de baixo custo, que proporciona secagem rápida com preservação da qualidade do produto (Cruz, 2013). Devido a estas vantagens, o método tem sido amplamente utilizado em pesquisas com frutas (Chaves et al. 2013; Kandasamy et al. 2012). Este tipo de processo consiste, basicamente, de três etapas: da modificação na consistência líquida do suco ou polpa, para uma espuma estável pela adição de agentes

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espumantes na secagem da espuma em camada fina e pulverização do material desidratado (Silva Filho, 2012).

Nesta tese estudou-se a desidratação de polpas de banana madura e verde em camada de espuma. Na literatura encontram-se vários trabalhos que visam a produção da farinha de banana por diferentes métodos de secagem. Todavia, a produção e uso do pó de banana como ingrediente alimentar ainda é escassa e carece de estudos que enfatizem processos de médio e baixo impacto. A avaliação e otimização das condições operacionais conjuntamente com o entendimento dos mecanismos inerentes aos processos de secagem e ajuste de modelos cinéticos que representem satisfatoriamente os dados experimentais são de fundamental importância para o projeto de secadores e são abordados neste trabalho que também contempla a comparação das características do produto com o obtido por liofilização. Considerando a influência do grau de maturação na composição química da banana e o uso atual da banana verde como ingrediente alimentar o estudo foi ampliado para os dois estágios de maturação, avaliando-se as modificações físico-químicas impostas decorrentes do processo de desidratação e realizando testes microbiológicos e avaliação sensorial de produtos preparados com o pó da banana madura.

1.1 Objetivo geral;

O objetivo geral do trabalho é a otimização do processo de secagem em camada de espuma de bananas verde e madura visando a obtenção do produto em pó, com características físico químicas dentro dos padrões de conservação e armazenamento, composição nutricional preservada, condições microbianas que atendam a legislação vigente e que mediante análise sensorial, sejam aprovados como ingredientes na preparação de alimentos.

1.2 Objetivo específico;

1.2.1 Avaliar a formação das espumas a partir do batimento das polpas com adição do agente

espumante (albumina), determinando a condição que promove a maior expansão em função do tempo de batimento e da concentração de albumina;

1.2.2 Secar as espumas em diferentes condições de temperatura, concentração de albumina e espessura; construir as curvas de secagem e avaliar o comportamento cinético em relação aos períodos de taxa de secagem, constante e decrescente;

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1.2.3 Ajustar modelos de secagem aos dados experimentais e obter os parâmetros relativos à predição das taxas de secagem nos períodos de taxa constante e decrescente e a difusividade efetiva;

1.2.4 Avaliar mediante métodos estatísticos os efeitos das variáveis de operação sobre os parâmetros de secagem, relativos aos períodos de taxa constante e decrescente;

1.2.5 Obter os modelos empíricos para predição dos dados cinéticos de secagem, avaliar a significância estatística dos modelos;

1.2.6 Otimizar as condições de processo em relação as taxas de secagem, umidade e tempo de equilíbrio;

1.2.7 Avaliar as características físico-químicas e composição nutricional dos pós produzidos em três níveis de temperatura e na condição mais favorável a secagem das espumas em relação a concentração da albumina e espessura da camada;

1.2.8 Realizar a análise microbiológica e a análise sensorial de alimentos preparados utilizando os pós de banana madura produzidos na condição mais favorável à secagem.

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Capítulo 2

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2. Revisão bibliográfica

2.1 Características botânicas, morfológicas e de cultivo de banana (Musa ssp.)

De acordo com a nomenclatura criada por Linneu (1735) e Minhoto (2006), as bananas pertencem à classe Monocotyledoneae, ordem Scimitales, família Musaceae e subfamília

Musoideae, que possui dois gêneros: o gênero Musa, com o maior número de espécies e onde

se encontram os frutos comestíveis e de interesse tecnológico e o gênero Ensete com frutos ornamentais. As variedades do gênero Musa apresentam cerca de 30 espécies com frutos de polpa abundante e desprovidos de sementes (CRUZ, 1995).

Das bananeiras comestíveis, destacam-se duas espécies diplóides selvagens: M.

acuminata e M. balbisiana, de modo que cada cultivar contém combinações variadas de

genomas completos das espécies parentais. Esses genomas são denominados pelas letras A (M.

acuminata) e B (M. balbisiana), cujas combinações resultam os grupos genômicos AA, BB,

AB, AAA, AAB, ABB, AAAA, AAAB, AABB e ABBB (DANTAS; SOARES FILHO, 1995). Já o subgrupo em bananeira é um termo utilizado para abranger um conjunto de cultivares originadas por mutação do mesmo genótipo. Os subgrupos mais comuns são: Cavendish, Maçã, Ouro, Gros Michel, Prata, Terra e Figo (LIMA; DE OLIVEIRA; OLIVEIRA, 2012).

A nomenclatura Musa foi criada por Linneu, 63 a 14 a.C. Atualmente a classificação das variedades se dá de acordo com os grupos cromossômicos, segundo a classificação de Simmonds (ITAL, 1990; JOLY, 1991). A Tabela 2.1 mostra a classificação histórica de Linneu e a classificação de Simmonds, para as variedades de banana.

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Tabela 2.1 - Classificação histórica de Linneu e a classificação de Simmonds, para as variedades de banana.

CLASSIFICAÇÃO VARIEDADES

SEGUNDO LINNEU

Nanica (Caturra), Nanicão, Grand-naine, Musa cavendishii Baé, Anã, China, Cambota

Marmelo, Ouro , Prata, Maçã, Branca, Caru Musa sapientum roxa, Caru-verde, São Tomé, Figo, Sta Maria

Da Terra, Farta-velhaco, Pacová, Comprida Musa paradisíaca ou Chifre de boi

SEGUNDO SIMMONDS

Grupo diploide

Acumiata AA Banana ouro

Grupo triploide

Nanica, Nanicão, Gros-michel, Caru-roxa, Ca-

Acumiata AAA ru verde

Grupo triploide

Híbrido natural AAB Terra, Maçã, Pacová e Prata Grupo triploide

Híbrido natural ABB Marmelo

Fonte: ITAL, 1990; JOLY, 1991.

A bananeira é caracterizada como sendo uma planta herbácea completa, pois apresenta raiz, caule, folhas, flores, frutos e sementes. O tronco, denominado rizoma, é curto, subterrâneo e constituído pelo córtex, que desempenha um papel de proteção e local onde estão localizados os feixes vasculares que suprem as folhas, raízes e rebentos e pelo cilindro central, onde se originam o sistema radicular e aéreo (ROSA, 2016).

2.2. Banana (Musa ssp.)

Segundo dados da FAO (2017) a banana é a principal fruta produzida do mundo. Sua área plantada é próxima de 5,4 milhões de hectares e tem uma produção de aproximadamente 114 milhões de toneladas, anualmente. As principais regiões produtoras são Ásia, com 55,8%, as Américas, que produzem 24,7% e a África, que é responsável por 17,9% da produção de banana no mundo. Entre os países, a Índia é o principal produtor mundial de banana, respondendo por cerca de 26% do total, seguida pela China, que produz aproximadamente 10%. Completam a lista as Filipinas, com 8% e o Brasil, com cerca de 6% da banana produzida no mundo.

A banana pode ser utilizada no estado verde e maduro. Na maturação da banana, o vegetal sofre diversas alterações internas, responsáveis por mudanças relacionadas à cor,

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textura, aroma e sabor. Antes da maturação, as bananas verdes se compõem, basicamente, de amido e água. Em seu processo de amadurecimento, a maioria do amido transforma-se em açúcar (glicose, sacarose e frutose), tornando-se mais doce (BLEINROTH, 1972). Contém o mesmo teor de vitamina C que a maçã, além de razoáveis quantidades de vitamina A, B1, B2, pequenas quantidades de vitaminas D e E, e maior percentagem de potássio, fósforo, cálcio e ferro do que a maçã ou a laranja (EMBRAPA, 1997).

Embora exista um número expressivo de variedades de banana no Brasil, quando são considerados aspectos como preferência dos consumidores, produtividade, porte, tolerância a pragas e doenças, resistência à seca e ao frio, restam poucos cultivares com potencial agronômico para serem utilizados comercialmente. Os cultivares Prata, Prata-Anã, Pacovan, Nanica, Nanicão e Grande Naine são os mais difundidos no Brasil (EMBRAPA, 2009).

A banana “Pacovan” é resultante de uma mutação da Prata, sendo atualmente a cultivar mais plantada no Nordeste e Norte do país. Possui porte alto, cachos cônicos, com peso de 16 kg e 7,5 pencas, em média. Os frutos são grandes, com quinas salientes e casca grossa. Pesam 122 g em média e apresentam sabor menos intenso que a “Prata”. (SILVA; SANTOS-SEREJO; CORDEIRO, 2004).

Segundo a Tabela Brasileira de Composição de Alimentos (TACO), a banana fornece, em média, 100 calorias por 100 gramas de polpa, e é classificada como um alimento com alto valor nutricional (UNICAMP, 2011). A Tabela 2.2 apresenta valores nutricionais de banana.

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Tabela 2.2 - Composição nutricional da banana por 100g de polpa.

Nutriente Figo Maçã Nanica Ouro Prata Terra

Proteína 1,1 g 1,8 g 1,4 g 1,5 g 1,3 g 1,4 g Lipídio 0,1 g 0,1 g 0,1 g 0,2 g 0,1 g 0,2 g Carboidrato 26,17 g 22,3 g 23,8 g 29,3 g 26 g 33,7 g Fibra Alimentar 2,8 g 2,6 g 1,8 g 2 g 2 g 1,5 g Cinzas 0,8 g 0,6 g 0,8 g 0,8 g 0,8 g 0,8 g Cálcio 6 mg 3 mg 3 mg 3 mg 8 mg 4 mg Magnésio 30 mg 24 mg 28 mg 28 mg 26 mg 24 mg Manganês 0,21 mg 0,60 mg 0,14 mg 0,14 mg 0,42 mg 0,16 mg Fósforo 16 mg 29 mg 27 mg 27 mg 22 mg 26 mg Ferro 0,2 mg 0,2 mg 0,3 mg 0,3 mg 0,4 mg 0,3 mg Potássio 387 mg 264 mg 376 mg 376 mg 358 mg 328 mg Cobre 0,06 mg 0,11 mg 0,10 mg 0,10 mg 0,05 mg 0,05 mg Zinco 0,1 mg 0,1 mg 0,2 mg 0,2 mg 0,1 mg 0,2 mg Tiamina 0,09 mg Tr Tr Tr Tr 0,03 mg Riboflavina Tr Tr 0,02 mg Tr 0,02 mg 0,022 mg Piridoxina 0,3 mg 0,14 mg 0,14 mg 0,14 mg 0,1 g 0,14 mg RE - 6 μg 14 μg 50 μg 32 μg 239 μg ERA - 3 μg 7 μg 25 μg 16 μg 119 μg Vitamina C 17,5 mg 10,5 mg 5,9 mg 7,6 mg 21,6 mg 15,87 mg Fonte: UNICAMPI, 2011.

Pesquisas com a banana mostram que a fruta, além de ser altamente nutritiva, contém, em sua composição, polifenóis, como por exemplo, flavonoides e ácidos fenólicos (MOKBEL e HASHINAGA, 2005). Esses compostos são conhecidos pela sua atividade biológica, dentre as principais funções nos seres humanos, a literatura atual os destaca como poderosos agentes antioxidantes (SCALBERT e WILLIAMSON, 2000; WATERHOUSE, 2002; PRIOR, 2003; BEHLING et al., 2004; SAHIDI e NACZK, 2004; GONZÁLEZMONTELONGO, LOBO e GONZÁLEZ, 2010 e PEREIRA, 2012).

A classificação do fruto tem por objetivo a separação do produto em lotes homogêneos, obedecendo aos padrões mínimos de qualidade e homogeneidade. Os lotes de banana são caracterizados por seu grupo varietal, classe (tamanho), subclasse (estádio de maturação), modo de apresentação e categoria (qualidade), conforme cartilha do PBMH e PIF

(2006). As subclasses dizem respeito ao grau de maturação dos frutos, seguindo a escala de maturação de Von Loesecke (1949). A Figura 3.1 mostra a escala de maturação.

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Figura 2.1 - Escala de maturação de bananas Fonte: CEAGESP, 2006

Dentre as características químicas mais utilizadas para avaliar a qualidade pós-colheita da banana estão o pH, acidez titulável, sólidos solúveis, relação entre sólidos solúveis e acidez ou índice de maturação (IM) ou “ratio”, açúcares redutores, açúcares não redutores, açúcares totais, substâncias pécticas e teor de amido (CHITARRA e CHITARRA, 2005). As transformações na banana ocorrem durante todo o processo de maturação, afetando constituintes como ácidos, amido, açúcares, ácido ascórbico, umidade, entre outros. A conversão do amido em açúcares simples é uma das mudanças mais notáveis no amadurecimento da banana.

2.2.1 Banana verde

O Brasil descarta quase 60% da produção de banana que não se encaixa nos padrões considerados adequados à comercialização (RIBEIRO & MESSANO, 2011). Grande parte da produção é na própria plantação, pois, dependendo da safra o preço é irrisório e nem sempre compensa a sua colheita (VALLE, 2006). Os frutos verdes se perdem nos galpões de estocagem

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e são descartados por estarem fora do padrão estabelecido pelo mercado (RIBEIRO e MESSANO, 2011). Desse modo o fruto é considerado um resíduo e é desprezado.

Apesar da maioria dos países consumirem a banana em seu estado maduro, há países que a consomem em seu estado verde. Consumida em Cuba, a banana verde é cortada em fatias e é frita. Na África Central, é utilizada na fabricação de cerveja. A banana verde também aparece no Equador, onde é cozida nos ensopados de milho e carne (IZIDORO, 2007).

A possibilidade da utilização da banana verde na indústria alimentícia é de praticamente 100%, a folha para produção de papéis, o caule para produção de telhas, a casca, rica em fibras, serve para preparação de quibes, cuscuz, bobó de camarão, vatapás e outros pratos típicos, pudins, mingaus de fibras, pastéis e sopas, além da polpa (biomassa) cuja aplicação em alimentos tem demonstrado extrema importância (ARRUDA, 2002).

A polpa da banana verde é uma massa sem sabor, com baixo teor de açúcares e compostos aromáticos (RODRÍGUEZ-AMBRIZ et al., 2008). Esta é caracterizada por uma forte adstringência, atribuída à presença de compostos fenólicos solúveis, principalmente taninos, que são polimerizados à medida que ocorre o amadurecimento do fruto (NASCENTE; COSTA; COSTA, 2005; SILVA, 2014). A polpa é reconhecida pelo seu valor funcional devido à elevada composição em amido resistente. O amido é o principal componente da banana verde, podendo corresponder de 55 a 93% do teor de sólidos totais do fruto (EMBRAPA, 2009).

A banana verde pode ser transformada em pó, que segundo BORGES, et al., 2009 é uma rica fonte de amido resistente e proteína. Além disso, apresenta um conteúdo de minerais consideráveis, uma vez que a farinha é fonte de potássio, fósforo, magnésio, cobre, manganês e zinco, quando comparada aos demais tipos de farinhas existentes no mercado.

Outra maneira de utilizar a banana verde é por meio de seu processamento na forma de biomassa. Quando a fruta verde é cozida, seu conteúdo de tanino é reduzido e é preservado seu conteúdo de amido resistente (VALLE, 2006; MELO, 2012).

Vários estudos vêm demonstrando o poder terapêutico da banana verde. Quando neste estado, ela apresenta Flavonóides que protegem a mucosa gástrica e, por possuírem amido resistente (soma do amido e produtos de sua degradação que não são absorvidos no intestino delgado), atuam como fibras alimentares (IZIDORO, 2007).

O amido resistente é um componente natural da dieta que pode ser encontrado em alimentos como grãos, batata crua e banana verde (PEREIRA, 2007). Este tipo de amido resiste à digestão à medida que passa através do trato gastrointestinal, conferindo benefícios consideráveis para a saúde do colón humano. O efeito benéfico atribuído ao amido resistente é devido à produção dos ácidos graxos de cadeia curta, fato que colabora com o crescente interesse quanto ao seu potencial prebiótico (NUGENT, 2005; MELO, 2012).

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FRANCO (2014) desenvolveu e caracterizou membranas de quitosana com casca de banana verde, no qual estas apresentaram resultados inibitórios de crescimento de

Staphylococcus aureus e Escherichia coli. As membranas também apresentaram alta

permeabilidade ao vapor d’água tendo uma média de 20,11 g.mm/m2.dia.Kpa, característica

importante para uma maior eficiência na cicatrização de feridas cutâneas.

2.3. Secagem

No ano de 1795, foi criada na França a primeira máquina de desidratar frutas e vegetais por meios não naturais, entretanto, os primeiros grandes impulsos ao desenvolvimento da indústria de alimentos desidratados ocorreram durante as grandes guerras mundiais (SILVA, 2013). Os primeiros secadores artificiais de produtos agrícolas foram desenvolvidos durante a primeira e segunda guerra mundial (CARVALHO, 2014). A secagem é umas das técnicas mais antigas utilizadas pelo homem para a preservação de alimentos. É um processo amplamente utilizado para melhorar a estabilidade dos alimentos. Em relação a outros métodos de conservação por períodos longos como a refrigeração, tratamento térmico ou tratamentos químicos, a desidratação oferece custo mais baixo e operações mais simples. A remoção de água diminui a atividade de água do produto, inibindo o desenvolvimento de microrganismos e retardando deteriorações de origem físico-química (CANO-CHAUCA et al., 2004). Além disso, a massa e volume de alimentos desidratados são menores, o que facilita e diminui os custos de transporte e armazenamento (CRUZ, 2013).

Dentre os métodos existentes para desidratação de alimentos, a secagem é uma das técnicas mais amplamente utilizadas (VISHWANATHAN et al., 2010). Nesse tipo de procedimento, dois processos simultâneos podem ser observados: transferência de calor, através da vaporização do líquido, e transferência de massa do líquido ou vapor presente no interior do material para a atmosfera na forma de vapor (FELLOWS, 2006). Porém, o controle da secagem depende das condições internas de transferência de massa, das características do sólido ou das condições externas, tais como da velocidade e temperatura do ar de secagem (RAHMAN e PERERA, 2007).

Quando um alimento é desidratado, ele não perde água a uma taxa constante ao longo do processo. Com o progresso da secagem, sob condições fixas, a taxa de remoção de água tende a diminuir. A forma de uma curva de secagem normalmente varia conforme o alimento, os diferentes tipos de secadores, e em resposta às variações das condições de secagem tais como

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a temperatura, a umidade, a velocidade e o sentido de escoamento do ar, a espessura do alimento, entre outros fatores (MELONI, 2003).

A utilização de modelos matemáticos que se ajustem aos dados experimentais é importante, pois permite a redução dos exaustivos ensaios de laboratório. Existem na literatura vários modelos matemáticos, teóricos, semi-empíricos e empíricos que podem ser empregados (WUAGHON e PENA, 2008).

O período de secagem é comumente dividido em dois, um de velocidade constante e outro de velocidade decrescente. No primeiro período as transferências de calor e massa são analisadas da superfície do material ao ar de secagem, enquanto que no segundo período as análises são baseadas nas transferências internas que governam a secagem (PARK et al., 2007). A taxa de secagem pode ser acelerada com o aumento da temperatura do ar de secagem e/ou, com o aumento do fluxo de ar que passa pelo produto por unidade de tempo. A quantidade de ar utilizada para a secagem depende de vários fatores. Entre eles: a umidade inicial do produto e a espessura da camada (GOUVEIA, 2003).

Keey (1992) afirma que dois métodos podem ser utilizados para a determinação das curvas de secagem: monitoramento da perda de umidade do material mediante pesagem direta da amostra ou através do monitoramento da umidade do gás de secagem, na entrada e saída do secador, utilizando-se instrumentos como psicrômetros e higrômetros de infravermelho. Ambos os métodos permitem a utilização de um sistema de aquisição de dados, através da conexão da balança ou do analisador de umidade relativa a um computador, por meio de sistema analógico-digital, programado para fornecer diretamente a curva de secagem em um terminal gráfico.

Durante o processo de secagem, a temperatura e a umidade do ar de secagem são mantidas constantes e todo o calor é fornecido à superfície do alimento por convecção. Três etapas características podem ser observadas: período de indução/ estabilização, período de taxa constante e período de taxa decrescente. Uma curva típica de secagem pode ser observada na Figura 2.2.

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Figura 2.2 - Curva típica de secagem - umidade em função do tempo. Fonte: (PARK et al. 2007).

O trecho AB da curva ilustrada na Figura 2.2 representa o início da secagem, quando o sólido é aquecido e passa da temperatura inicial T0 para temperatura de bulbo úmido Tbu

enquanto a água livre vai sendo evaporada. Este trecho é caracterizado pela transiência do regime, e a taxa de secagem tanto pode aumentar como diminuir, sob efeito do aumento de temperatura. No trecho BC a velocidade de secagem e a temperatura (temperatura de bulbo úmido) tornam-se constantes. Este período, também chamado de período de taxa de constante, termina quando a umidade crítica é atingida pelo sólido. A partir deste ponto, a temperatura é elevada e a taxa de secagem cai rapidamente. O período de taxa decrescente inicia no ponto C e pode ser dividido em duas zonas: trecho CD, zona de secagem da superfície insaturada e trecho DE, zona na qual o movimento interno do líquido controla a secagem. Nesse último, acontece a evaporação do líquido existente no interior do material e a secagem termina quando é atingida a umidade de equilíbrio (Ueq), ou seja, ponto em que a pressão de vapor do líquido

presente no sólido é igual à pressão parcial de vapor da água contida no gás secante. Ao atingir a umidade de equilíbrio o sólido não sofrerá mais variações de umidade independendo do tempo de secagem desde que sejam mantidas as condições do sistema. (KEEY, 1992). Observa-se o comportamento da curva de umidade de equilíbrio através do gráfico da Figura 3.3.

A umidade de equilíbrio é o mínimo conteúdo de umidade que um material pode teoricamente ser seco para a condição de processo dado. Ela é atingida quando o alimento é deixado por tempo suficientemente longo em determinada condição de temperatura e umidade relativa do ar que o envolve. Nessa condição, a pressão parcial de vapor da água na superfície

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do produto é igual à pressão parcial de vapor de água contida no ar (KEEY, 1992). A Figura 2.3 mostra este comportamento.

Figura 2.3 - Gráfico de Umidade de Equilíbrio. Fonte: Keey (1992).

A maioria dos danos causados pelo calor no alimento pode, portanto, acontecer durante o período de taxa decrescente, sendo importante controlar a temperatura e o tempo de secagem, pois se a secagem continuar ocorrerá perda de massa devido a queima de matéria seca (FELLOWS, 2006). Deve-se ressaltar que, dependendo das condições de processo, a secagem pode afetar prejudicialmente a estrutura do alimento, causando alteração na cor, como as reações de escurecimento enzimático e não enzimático (SILVA et al., 2005; LISBÔA, 2012; FIGUEIRÊDO, 2012; QUEIROZ, 2012), além da perda de nutrientes devido à exposição do produto a altas temperaturas por um longo tempo.

2.4. Secagem em camada de espuma - foam-mat drying

O método de secagem em camada de espuma (foam-mat drying) foi desenvolvido na década de 1950 por Morgan e sua equipe na Califórnia, EUA, e patenteada em 1961. É uma técnica que promove rápida secagem de alimentos líquidos, tais como sucos de frutas e vem sendo muito utilizada também para alimentos pastosos como purê ou polpas de frutas (MARQUES, 2009).

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É o processo onde um alimento líquido ou pastoso é agitado para formar uma espuma estável, e posteriormente desidratada por processamentos térmicos. As principais vantagens desse método, quando comparado a outros métodos como spray ou tambor são as baixas temperaturas e curtos tempos de secagem. (BRYGIDYR et al, 1977).

Consiste basicamente de três etapas: modificação na consistência líquida do suco ou polpa em uma espuma estável, pela adição de agentes espumantes, secagem do material em camada fina e pulverização do material desidratado (TRAVAGLINI et al., 2001). Durante o processo de secagem em camada de espuma, a estrutura, a capacidade de expansão e a estabilidade da espuma desempenham um papel importante na movimentação de água durante a secagem e, consequentemente, na qualidade do produto final (BAG et al., 2011).

O líquido é transformado em espuma, pela adição de uma porção de um agente espumante, como a proteína de soja, albumina, ésteres de ácidos graxos e monoestearatos de glicerol, e a incorporação de ar ou outros gases como o nitrogênio (por ser inerte) por injeção direta ou agitação. A adição de agentes espumantes e estabilizantes ajuda a aumentar a estabilidade da espuma durante a secagem. Na medida em que a concentração de estabilizantes é aumentada, a densidade da espuma diminui, uma vez que uma maior quantidade de ar é incorporada durante a mistura (FALADE; ADEYANJU; USO-PETERS, 2003). A espuma é distribuída em camadas finas em telas e levada ao secador (BRENNAN, 2006), em temperaturas relativamente baixas (menor ou igual a 70°C) (SANKAT e CASTAIGNE, 2004). O produto desidratado é moído e convertido em pó (KADAM et al., 2010).

Muitos alimentos naturalmente contêm proteínas solúveis e monoglicerídeos capazes de produzirem espumas quando batidos, no entanto as espumas produzidas podem ser insatisfatórias para a desidratação, sendo necessário também adicionar agentes espumantes e estabilizadores para induzir a formação de espuma e para dar estabilidade adequada à secagem (SANKAT e CASTAIGNE, 2004).

Entre as vantagens do processo foam-mat, destacam-se as baixas temperaturas e tempo de secagem mais curto devido à maior área de superfície exposta ao ar e maior velocidade de secagem. Estes fatores superam o fato da transferência de calor interno ser comprometida pelo grande volume de gás presente na massa de espuma. O processo além de permitir uma rápida remoção de água, promove a obtenção de um produto poroso e de fácil reidratação, sendo aplicada em muitos alimentos sensíveis ao calor, como os sucos de frutas (BASTOS et al.; 2005; KUDRA e RATTI, 2006; SANKAT e CASTAIGNE, 2004).

A escolha do tempo e da temperatura de desidratação depende do produto a ser desidratado. Essa técnica apresenta como principal desvantagem, em relação a outros meios de

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secagem de líquidos, a necessidade de grande área de superfície de secagem para que consiga atender elevadas taxas de produção, o que eleva o custo de investimento (FRANCIS, 2000). Além dessa, outra desvantagem é que os aditivos podem modificar as características de sabor, aroma e cor do alimento. Outra dificuldade relatada por Karim e Wai (1999) é a falta de estabilidade da espuma durante o aquecimento na secagem. Algumas variáveis como a natureza química das matérias-primas, sólidos solúveis, tipo e concentração de agente espumante influenciam na estabilidade das espumas (HART et al, 1963).

Por ser um processo simples e barato que garante a obtenção de produtos em pó com características preservadas, a secagem em leito de espuma oferece grandes possibilidades comerciais, principalmente para alimentos sensíveis ao calor. Vem sendo aplicado em diversos produtos como: suco de tomate (UBOLDI, 1971), polpa de acerola (SOARES et al, 2001), manga (BASTOS et al, 2005), tamarindo (GURJÃO, 2006), , maracujá (CAMARGO et al, 2008), caldo de cana (MARQUES, 2009), araçá-boi (SOARES, 2009), seriguela (FURTADO

et al, 2010), manga e abacaxi (DANTAS et al, 2010), banana (KOLAWOLE et al, 2010),

banana (THUWAPANICHAYANAN et al, 2012), goiaba (CRUZ, 2013), suco misto de açaí, morango e acerola (ROCHA, 2013), graviola (GURGEL, 2014) e cenoura, tomate, beterraba e morango (RONCHETI, 2014).

Diversos estudos têm sido conduzidos com o objetivo de caracterizar os produtos obtidos após a secagem e determinar as melhores condições operacionais como: temperatura de secagem, espessura da camada, tipo e concentração de aditivos.

FALADE et al. (2003) estudaram a secagem em leito de espuma de feijão cowpea (Vigna unguiculata), usando como agentes espumantes monoesterato de glicerol e albumina de ovo. Observaram que a densidade da espuma decresceu com o aumento da concentração dos agentes espumantes e que os sólidos totais decresceram. A análise sensorial mostrou diferenças no sabor, em função da concentração dos aditivos.

BASTOS (2005) realizou a desidratação de manga “Tommy Atkins” por processo em leito de espuma nas temperaturas de 70 e 85°C, e testou os emulsificantes carboxil-metil celulose, tween 60, goma xantana e clara de ovos, sendo que o tween 60 apresentou uma melhor estabilidade. Posteriormente foram realizadas análises químicas e físico-químicas na polpa in

natura e desidratada, obtendo-se uma melhor aceitabilidade da polpa seca a 70°C, na análise

sensorial.

GURJÃO (2006) produziu extrato em pó de tamarindo pelo processo de secagem em leito de espuma utilizando albumina como aditivo, nas temperaturas de 50, 60, 70 e 80°C e observou que as melhores temperaturas para a secagem da polpa de tamarindo foram 60 e 70°C.

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O extrato obtido foi avaliado em relação à cor, sólidos solúveis totais, acidez total titulável, vitamina C e pH.

DANTAS et al. (2010) ao estudarem a desidratação da polpa manga e de abacaxi em camada de espuma, utilizando como agentes espumantes (1% p/p Emustab e 1% p/p Liga neutra), concluiu que as melhores condições de taxas de secagem foi a 70°C e a espessura de 4 mm para ambas as frutas, e que nessa temperatura os pós de manga e de abacaxi apresentaram pH ácidos, sólidos solúveis elevados e baixa atividade de água. Apresentaram também elevada solubilidade e rápida reconstituição em água.

KADAM et al. (2010) avaliaram o impacto das temperaturas de secagem (65°C, 75°C e 85°C) e o leite como agente formador de espuma nas concentrações (0%, 10%,15%,20% e 25%), sobre as propriedades físico-químicas (pH, acidez total, sólido solúveis total açúcares totais, ácido ascórbico, total de caroteno e minerais) do pó da manga, desidratada pelo processo de camada de espuma .Concluiu que quase todas as propriedades físico-químicas apresentaram uma tendência decrescente com o aumento da temperatura de secagem e que o pó obtido como resultado da adição de 10% de leite e a secagem a 65°C apresentaram os melhores resultados. KOLAWOLE et al. (2010) desidrataram bananas em camada de espuma, utilizando 0,005%, 0,01%, 0,015% e 0,02% de monoestearato de glicerina (GMS) como agente espumante, nas temperaturas de 60°C, 70°C e 80°C. Foram determinadas propriedades físicas, químicas e sensoriais do pó reconstituído.

KADAM et al. (2011) desidrataram a polpa de tangerina pelo processo foam mat em diferentes temperaturas 65°C, 75°C e 85°C, utilizando carboximetilcelulose, leite, e clara de ovo como agentes formadores de espumas em diferentes concentrações para obter tangerina na forma em pó. Comparou as análises dos resultados da polpa fresca com o do pó reconstituído e concluiu que nas análises dos açúcares totais, do teor de ácido ascórbico e da acidez total, do pó reconstituído foram diminuindo, enquanto o pH foi ligeiramente mais elevado do que o da polpa fresca.

THUWAPANICHAYANAN (2012) analisaram a densidade da espuma e os tipos de agentes formadores de espuma sobre a difusividade, a qualidade da microestrutura e textura da espuma de banana. Os agentes utilizados foram clara de ovo fresca (EA), proteína isolada de soja (SPI) e concentrado de soro de leite (WPC). Os resultados experimentais mostraram que a espuma de banana WPC poderia reter a estrutura mais aberta durante a secagem. Esta morfologia fornecida menos encolhimento e conduziu a maiores valores da difusividade efetiva, em comparação com as espumas de banana de SPI e EA.

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GURGEL (2014) estudou a desidratação da polpa de graviola em camada de espuma, avaliando o desempenho do processo e as características do produto obtido. Os experimentos foram realizados conforme planejamento experimental 23, com 3 repetições no ponto central.

Estudou os efeitos da temperatura 50°C, 60°C e 70°C, espessura da camada (0,30 cm, 0,45 cm e 0,60 cm e concentração de leite 0%, 20% e 40% na cinética de secagem, avaliando-se o comportamento das curvas e as características físico-químicas do produto em pó. Os resultados mostraram o importante efeito da temperatura no sentido de aumentar as taxas de secagem e que espumas mais espessas apresentaram menores taxas de secagem. Com relação aos resultados das análises físico-químicas, a graviola em pó apresentou características adequadas para conservação.

RONCHETI (2014) utilizou à tecnologia de secagem em leito de espuma aplicada a cenoura, beterraba, tomate e morango. Neste trabalho, os quatros produtos foram submetidos à secagem a temperaturas controladas de 40, 50, 60, 70 e 80 °C. A descrição da cinética de secagem foi realizada pelo ajuste de modelos matemáticos para cada temperatura do ar de secagem. Foi proposto um modelo matemático generalizado ajustado por regressão não linear. O modelo de Page obteve o melhor ajuste sobre os dados de secagem em todos os produtos testados, com um coeficiente de determinação (R²) superior a 98% em todas as temperaturas avaliadas. Além disso, foi possível modelar a influência da temperatura do ar sobre o parâmetro k do modelo de Page através da utilização de um modelo exponencial. O coeficiente de difusão efetiva aumentou com a elevação da temperatura, apresentando valores entre 10-8e 10-7 m².s

para as temperaturas de processo. A relação entre o coeficiente de difusão efetiva e a temperatura de secagem foi descrita pela equação de Arrhenius.

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

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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).

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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

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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

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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).

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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 Xnl        

   (7)

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