UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
SECAGEM DE POLPA DE GOIABA PELO MÉTODO DE CAMADA DE ESPUMA
LARYSSA BATISTA ARAUJO
ORIENTADORA: PROFª DRª MARIA DE FÁTIMA DANTAS DE MEDEIROS COORIENTADORA: ME. CINTHIA MEIRELLY DE ARAÚJO ELPÍDIO
NATAL/RN NOVEMBRO/2019
SECAGEM DE POLPA DE GOIABA PELO MÉTODO DE CAMADA DE ESPUMA
NATAL/RN NOVEMBRO/2019
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Química, apresentado ao Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito para a obtenção do título de Engenheiro Químico.
LARYSSA BATISTA ARAUJO
SECAGEM DE POLPA DE GOIABA PELO MÉTODO DE CAMADA DE ESPUMA
Aprovado em: ______________
Banca Examinadora
ORIENTADORA:______________________________________________________ Profª Drª Maria de Fátima Dantas de Medeiros
COORIENTADORA:___________________________________________________ Me. Cinthia Meirelly de Araújo Elpídio
EXAMINADORA:______________________________________________________ Me. Fábio Gonçalves Macêdo de Medeiros
EXAMINADORA:______________________________________________________ Eng. Julia Maria de Medeiros Dantas
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Química, apresentado ao Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito para a obtenção do título de Engenheiro Químico.
Agradeço primeiramente e principalmente aos meus pais, Lene e Carlos, por terem me dado uma criação regida a muito amor, confiança, apoio e empatia, e por sempre
me ajudarem a ver o melhor em mim e no mundo à minha volta. Sou muito grata por todas as oportunidades por eles proporcionadas. Se eu cheguei até aqui, foi tudo
graças a vocês, muito obrigada!
Gratidão eterna aos meus colegas de curso, sobretudo à minha turma, a imbatível 2014.1, com quem vivi e superei todos os desafios da graduação. Graças ao apoio
mútuo dessa turma “fora da curva” (em todos os aspectos) que posso estar aqui agora, formada. Desejo todo o sucesso do mundo para cada um de vocês e espero
que possamos continuar contando uns com os outros pelo resto da vida! Gratidão às minhas amigas Anna Glícia e Victória, que foram essenciais nos meus anos em Natal, com quem eu dividi momentos incríveis e inesquecíveis. Vou lembrar
com muito carinho de todas as coisas que passamos juntas na graduação (e fora dela) e sentir falta pra sempre do trabalho em equipe perfeito que só nós três temos.
Também quero registrar agradecimentos especiais à Joyce, Mariana, Rodrigo e Érica por todo o companheirismo tanto nos pontos altos, quanto nos baixos. Um agradecimento enorme ao PET-EQ, entidade que fiz parte por dois anos. Foi dentro do PET-EQ que eu pude descobrir em mim um potencial que até então eu
desconhecia. Ao Prof. Jackson, que foi um tutor-amigo, aos meus colegas de entidade e aos professores parceiros por sempre confiaram em mim, no meu
trabalho e na minha capacidade, muito obrigada.
Gratidão enorme aos meus amigos de fora da UFRN, tanto em Natal quanto em Parnaíba, em especial à Amanda e Wiviane, que foram como válvulas de escape durante essa jornada. Sou muito grata pelo apoio incondicional das duas, me sentia
diariamente acolhida e em casa com cada conversa que tive com as duas, mesmo que ambas estivessem a centenas de quilômetros de distância de mim. À minha rede de segurança: João Victor, Nikolas, Ingrid, Welison, Sharon e Igor. Por
sempre me apoiarem e me colocarem pra cima nos momentos mais difíceis, por cada coisinha que aprendi com cada um de vocês, pela paciência infinita com meus
sumiços e por estarem sempre ao meu lado, mesmo que fisicamente distantes, meu muito obrigada!
Quem me conhece sabe que eu vivo uma “vida dupla”, divida entre a vida real e um mundo particular que criei para mim mesma na internet. Gratidão às pessoas que fazem parte da minha vida do outro lado da tela, comunidade virtual de gente linda e
incrível que fui cultivando ao longo dos anos graças às fanfics, animes e música. E falando em música, sinto que devo registrar meu agradecimento ao SHINee, meu grupo favorito, cujos álbuns viraram uma espécie de mantra para mim e embalaram
muuuitas madrugadas de estudos e me ajudaram a focar, a manter a calma e a sanidade mental.
Agradeço a todos os que passaram pelo Laboratório de Tecnologia de Alimentos nesses mais de quatro anos que fiz parte dele, em especial à Camilla Gurgel, que
me ensinou com muita paciência tudo o que seu sei sobre secagem de frutas, à Cinthia Meirelly por todo apoio e ajuda durante a execução desse trabalho e por ter aceitado ser minha coorientadora tão prontamente, mesmo com um prazo curtinho, e claro, à minha orientadora da iniciação científica, Maria de Fátima, que me acolheu
em seu laboratório quando eu era só uma menina de 17 anos com muita sede de aprender, me tornou uma pesquisadora, e me orientou também neste que foi meu
último trabalho na graduação com muito carinho, paciência e compreensão. E por último, mas não menos importante, agradeço a mim mesma por ter encarado o
desafio de me mudar para outro estado em busca dos meus sonhos, por ter me aberto a novas experiências e aproveitado as oportunidades ao máximo, por ter me
permitido conhecer a mim mesma, crescer, e principalmente por ter tido força e resiliência para me manter de pé até o final, apesar dos pesares.
Figura 1 - Goiaba ... 15
Figura 2 - Representação da produção de goiaba, por região e por estados do Nordeste em 2018. ... 16
Figura 3 - Curvas de secagem típicas ... 18
Figura 4 - Esquema da secagem pelo método de camada de espuma ... 20
Figura 5 - Metodologia adotada para a determinação da condição de secagem ideal da polpa de goiaba ... 22
Figura 6 - Espuma de polpa de goiaba ... 33
Figura 7 - Gráfico da cinética de secagem das três temperaturas estudadas ... 34
Figura 8 - Dados do coeficiente de difusividade efetiva versus temperatura ... 36
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação do material quanto à higroscopicidade ... 28
Tabela 2 - Classificação do material quanto à fluidez a partir dos Índices de Carr e de Hausner ... 30
Tabela 3 - Dados de expansão da espuma ... 32
Tabela 4 - Caracterização físico-química da polpa in natura e da espuma de goiaba ... 34
Tabela 5 - Parâmetros do modelo de Page ... 35
Tabela 6 - Valores do coeficiente de difusividade efetiva ... 36
O Brasil é o terceiro maior produtor de frutas do mundo. Nesse cenário, o cultivo de goiaba é de grande destaque na economia nacional, uma vez que seu sabor e aroma são amplamente aceitos pelos brasileiros e também é apreciada pelo seu valor nutricional, sobretudo pelo alto teor de vitamina C. Entretanto, o consumo da fruta in natura é limitado pela alta perecibilidade da goiaba, cujos processos de senescência iniciam-se logo após a colheita e são agravados pelas práticas inadequadas de manejo na colheita, transporte e armazenamento. Dessa forma é necessário submeter a goiaba a processos de beneficiamento visando aumentar a vida de prateleira e as possibilidades de aplicação comercial. A secagem pelo processo foam-mat, ou camada de espuma, é um processo de baixo custo que consiste na transformação de líquidos e semi-líquidos em uma espuma expandida com auxílio de um agente emulsificante, que é colocada em contato com ar quente para que ocorra a desidratação, resultando em um pó de boa qualidade e fácil reconstituição. Para a secagem de polpa de goiaba, albumina foi utilizada como agente emulsificante na concentração de 5%. Foi feito o estudo da cinética de batimento da espuma para determinar o tempo de batimento padrão das secagens, que resultou na utilização de 9 minutos, com 619,2% de expansão. A cinética de secagem da espuma foi analisada em três temperaturas: 60°C, 70°C e 80°C, e o modelo de Page foi ajustado aos dados experimentais. O fator de correlação foi de R² > 0,99 para todas as condições e a taxa específica média ao longo da secagem variou entre 2,6 x 10-2 e 5,7 x 10-2 min-1. O coeficiente de difusividade efetiva variou entre 6,8 x 10-7 e 1,33 x 10-6 m²/s, e a energia de ativação encontrada foi de 3,410 kJ/mol. Os pós obtidos passaram por análise físico-química e constatou-se por meio de comparação feita com teste de Tukey com 95% de coeficiente de confiança, exceto para umidade e atividade de água – que foram menores para o pó obtido a 80°C, não houve diferença significativa nas características dos pós obtidos nas três temperaturas. Entretanto, por ter apresentado menores valores de umidade (5,01%), atividade de água (0,30), tempo de reconstituição (120 segundos) e maior teor de vitamina C (19,31 g/100g) no pó obtido, além de razoável solubilidade (64,58%) e boa fluidez, é possível afirmar que a condição de 80°C foi melhor para a secagem da polpa de goiaba pelo método foam-mat.
ABSTRACT
Brazil is the third biggest fruit producer in the world. In this scenario, guava has a prominent role in the national economy, since its pleasant flavor and aroma are widely accepted by Brazilians, as well as for its nutritional value, especially for the high vitamin C content. However, the fresh fruit consumption is limited by high perishability, whose senescence process begins as soon as it is harvested, which is aggravated by inadequate practices in harvest, transportation and storage. Therefore, processing guava is necessary to increase its shelf life and commercial applications. Foam-mat drying is a low-cost process in which liquids and semi-liquids are whipped with emulsifying agents to obtain a stable foam, which is exposed to hot air, and results in a good quality powder with water reconstitution properties. For guava pulp drying, egg albumin was used as emulsifying agent, at 5% of concentration. To set a standard whipping time for the drying process, a preliminary study was carried, resulting in a whipping time of 9 minutes and 619,2% of foam expansion. The drying kinetics studies were performed at three temperatures: 60°C, 70°C e 80°C, and the page Model was fitted to the experimental data. The correlation factor for the Page model was R² > 0,99 for all three temperatures and drying rate ranged from 2,6 x 10-2 to 5,7 x 10-2 min-1. The effective diffusivity ranged between 6,8 x 10-7 and 1,33 x 10-6 m²/s, and the activation energy was of 3,410 kJ/mol. The powders went through physical-chemical analysis and the results were compared using the Tukey test with 95% of confidence coefficient and it was attested that, except for humidity and water activity – which were smaller for the powder obtained at 80°C, there were no significant differences in the characteristics analyzed in the three temperatures. However, the powder obtained at 80°C presented the best analysis results of humidity (5,01%), water activity (0,30), reconstitution time (120 seconds) and higher vitamin C content (19,31 g/100g), as well as reasonably good results for solubility (64,58%) and good powder flow. Therefore is reasonable to state that 80°C is the best process condition for foam-mat drying of guava pulp.
1 INTRODUÇÃO ... 12 2 OBJETIVOS ... 14 2.1 Objetivos gerais ... 14 2.2 Objetivos específicos ... 14 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15 3.1 A goiaba ... 15 3.2 Secagem ... 16 3.2.1 Cinética de secagem ... 17 3.2.3 Modelagem matemática ... 19
3.2.4 Secagem por camada de espuma (foam-mat) ... 20
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 22
4.1 Materiais ... 22
4.2 Metodologia ... 22
4.3 Caracterização físico-química da polpa in natura ... 22
4.3.1 Densidade ... 22
4.3.2 Acidez total titulável ... 23
4.3.3 Teor de sólidos totais e umidade ... 23
4.3.4 Teor de sólidos solúveis ... 24
4.3.5 Potencial hidrogeniônico (pH) ... 24
4.4 Preparação da espuma e determinação do tempo de batimento ... 24
4.4.1 Caracterização físico-química da espuma ... 25
4.5 Secagem ... 25
4.5.1 Cinética de secagem ... 25
4.5.2 Aplicação do Modelo de Page ... 26
4.5.3 Obtenção da difusividade efetiva e da energia de ativação ... 26
4.6.1 Teor de sólidos totais e umidade ... 27
4.6.2 Higroscopicidade ... 28
4.6.3 Atividade de água (aw) ... 28
4.6.4 Solubilidade ... 28
4.6.5 Acidez total titulável (ATT) ... 29
4.6.6 Densidade e fluidez ... 29
4.6.7 Teor de ácido ascórbico (Vitamina C) ... 30
4.6.8 Tempo de reconstituição ... 31
4.7 Análise estatística ... 31
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 32
5.1 Cinética de batimento ... 32
5.2 Caracterização da polpa in natura e da espuma ... 33
5.3 Cinética de secagem ... 34
5.4 Determinação da difusividade efetiva e da energia de ativação ... 35
5.5 Caracterização físico-química do pó de goiaba ... 37
6 CONCLUSÃO ... 41
1 INTRODUÇÃO
O Brasil se destaca mundialmente como o terceiro colocado no ranking países que mais produzem frutas, um cenário que não tende a se alterar em médio prazo. Em 2014, o Brasil exportou frutas frescas para 58 países, sobretudo para União Europeia (Anuário Brasileiro de Fruticultura, 2015). Entretanto, o consumo de frutas frescas não é limitado apenas pela sazonalidade de alguns frutos, mas esbarra, sobretudo, na alta perecibilidade destes produtos devido aos processos metabólicos naturais que começam a ocorrer após a colheita, e que são, ainda, agravadas por práticas inadequadas de colheita e manejo, mAs condições climáticas, estrutura inadequada de transporte e conservação até que cheguem ao consumidor final (FAO, 2019).
Segundo o levantamento apresentado no relatório de 2019 da Organização Agricultura das Nações Unidas para Alimentação e agricultura (FAO, em inglês), 20% da produção agrícola desperdiçada no mundo no espaço de tempo entre a colheita até o varejo, não incluindo o varejo em si, provém da América Latina e do Caribe.
Reduzir o desperdício de produtos agrícolas implica na redução de custos de produção e aumento da segurança alimentar, contribuindo para uma produção mais sustentável, uma vez que se despendem menos recursos hídricos para irrigação e se emite menos gases que agravam o efeito estufa, já que não seria necessário aumentar a produção para compensar o que é desperdiçado (FAO, 2019).
Dessa forma, se faz necessário buscar formas de prolongar a vida útil dos frutos ou de aplicá-los em outros produtos para que sejam inseridos indiretamente na dieta das pessoas, na forma de sucos, farinhas em bolos, biscoitos e bebidas lácteas, por exemplo. Dentre esses processos, tem-se a secagem, que consiste na retirada de umidade de um material por meio da exposição deste ao ar aquecido. Como grande parte dos organismos que causam o apodrecimento de frutos, como fungos e bactérias, precisam de água em seus processos metabólicos, a retirada dela implica em menores possibilidades de proliferação, consequentemente aumentando o tempo de conservação.
Entre as técnicas utilizadas para secar alimentos, tem-se o processo de desidratação por camada de espuma, também conhecido como foam-mat, que consiste na obtenção de pó a partir de uma espuma feita com o material desejado
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com o auxílio de agente emulsificante. Este método é uma alternativa de menor custo em relação a outros métodos utilizados, uma vez que o pó obtido apresenta boa qualidade, boa retenção de aroma, cor e sabor. O alto rendimento final que a secagem por camada de espuma entrega, aliado às baixas temperaturas utilizadas e tempo curto do processo tornam este um método vantajoso para a secagem de produtos alimentícios.
Desse modo, esse trabalho tem como intuito estudar a secagem de polpa de goiaba em camada de espuma para a obtenção de pó. Foi feito o estudo do tempo de batimento e da secagem da polpa em camada de espuma, utilizando albumina como adjuvante e analisando os impactos da secagem em três níveis de temperatura nas características físico-químicas e capacidade de reconstituição dos pós obtidos, para determinar, assim, a melhor condição de processo.
2 OBJETIVOS 2.1 Objetivos gerais
O objetivo deste trabalho é determinar a melhor condição para a secagem de polpa de goiaba pelo método de camada de espuma (foam-mat).
2.2 Objetivos específicos
Fazer a caracterização físico-química da polpa de goiaba in natura e da espuma obtida quanto ao teor de ácido ascórbico, sólidos solúveis, pH, densidade, acidez, sólidos totais e umidade.
Realizar um estudo da cinética de batimento para a obtenção da espuma da polpa de goiaba, avaliando a expansão em função do tempo, para determinar o tempo de batimento mais adequado para a secagem.
Realizar um estudo da cinética de secagem em três temperaturas distintas (60°C, 70°C e 80°C), avaliando os parâmetros do modelo de Page obtido pelo ajuste aos dados experimentais.
Determinar o coeficiente de difusividade efetiva e a energia de ativação do processo.
Determinar as características físico-químicas do pó produzido nas três temperaturas estudadas e avaliar o impacto do tempo de secagem e da temperatura nas características do pó obtido.
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3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 A goiaba
A goiaba (Psidium guajava, L), Figura 1, é um fruto nativo da América do Sul e foi levado para a África e a Ásia por navegadores europeus. A goiaba ocupa um lugar de destaque dentre as frutas tropicais no Brasil pela alta aceitação de seu sabor e aroma agradável, bem como pelo seu valor nutricional, sendo uma das maiores fontes de vitamina C entre as frutas cítricas, apresentando cerca de 228,3 mg/100g de teor de ácido ascórbico (USDA, 2003). Também possui alto teor de vitamina A e vitaminas do grupo B, além de valores significativos de fósforo, potássio, ferro e cálcio (EMBRAPA, 2010).
Figura 1 - Goiaba
Fonte: USDA
O Brasil é o segundo maior produtor de goiaba no mundo, ficando atrás apenas da Índia (VIEIRA, 2014). No Brasil, as regiões Nordeste e Sudeste se destacam como maiores produtoras do fruto, sendo que em 2018 o Nordeste foi a região campeã na produção de goiaba, totalizando 293.599 toneladas da fruta produzidas em 10.190 hectares de área destinada a colheita, um aumento de 69,8% na produção da região em relação ao ano anterior, sendo o estado de Pernambuco o maior produtor do país (IBGE, 2019). A Figura 2 mostra gráficos representativos da produção de goiaba no Brasil por região e por estado do Nordeste, maior região produtora, em 2018.
Figura 2 - Representação da produção de goiaba, em toneladas, por região e por estados do Nordeste em 2018.
Fonte: IBGE, 2019
Entretanto, o comercio e consumo da goiaba no Brasil é limitado pela alta perecibilidade do fruto, que apresenta características de apodrecimento em até 4 dias após a colheita (VIEIRA, 2014). A perda do fruto pode ocorrer tanto pelos processos naturais que se desencadeiam após a colheita, como também por práticas incorretas de manejo e transporte ou armazenamento inadequado. Com isso, observa-se a necessidade de buscar alternativas de beneficiamento do fruto para amentar sua vida útil ou fazendo com que ele possa ser consumido de outras formas. Graças à alta aceitação da goiaba pelo paladar brasileiro, esta é amplamente empregada na indústria de sucos, doces, sorvetes geleias, néctares, compotas e principalmente na de polpa de frutas.
3.2 Secagem
A secagem é um dos processos mais empregados na indústria alimentícia para a conservação de alimentos, uma vez que, além de aumentar sua vida de
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prateleira, ainda agrega valor comercial ao produto final, que pode ser empregado na elaboração de novos produtos. Ela se destaca por proporcionar maior estabilidade, reduzir a degradação enzimática; também reduz custos de armazenamento e transporte por dispensar refrigeração além de permitir a disponibilidade dos produtos ao longo de todo o ano, no caso de itens sazonais (PARK, et al., 2001).
A desidratação dos materiais ao colocá-los em contato com uma fonte de calor é amplamente utilizada para aumentar a vida útil de alimentos por diminuir a quantidade de água neles presente, com consequente diminuição da atividade microbiológica que leva a senescência. Durante a secagem, observam-se dois processos: a transferência de calor na vaporização do líquido presente no material, e a transferência de massa do líquido que estava no material para a atmosfera em que está inserido (FELLOWS, 2006).
3.2.1 Cinética de secagem
É possível fazer um estudo da cinética de secagem a partir dos dados de secagem, representando a cinética através de curvas que relacionam o teor de umidade e o tempo (DANTAS, 2010). Segundo Keey (1992), é possível determinar as curvas de secagem de duas maneiras: monitorando a perda de umidade total ao pesar diretamente a amostra em intervalos de tempo, ou monitorando a umidade do gás de secagem na entrada e saída do secador, utilizando instrumentos como psicrômetro e higrômetros de infravermelho.
Park, et al. (2001) afirmam que o processo de secagem, baseado na troca de calor e massa, pode ser dividido em três períodos, como mostrado na Figura 3.
A curva “a”, em vermelho, que representa a diminuição do teor de água no material durante a secagem, é obtida relacionando a umidade do produto em base seca (X) com o tempo de secagem (t), ou seja, os dados são obtidos pesando o material em intervalos regulares de tempo durante o processo de secagem. A curva “b”, em verde, que representa a velocidade de secagem do material, relaciona a variação da umidade (dX/dt) com o tempo de secagem, ou seja, é a derivada da curva “a”. A curva “c”, em azul, representa a variação de temperatura do material (T)
durante o tempo do processo (t), ou seja, é obtida medindo a temperatura do produto durante a secagem (PARK, et al., 2001).
Figura 3 - Curvas de secagem típicas
Fonte: Park, et al., 2001.
Ao analisar os períodos, Park et al. (2001) ainda explicam que o primeiro período, 0, corresponde ao início da secagem, onde ocorre um aumento gradual da temperatura do material e da pressão da água, que prossegue até que transferência de calor seja equivalente à transferência de massa. Essa equivalência implica em uma velocidade (taxa) de secagem constante, característica do período 1, e essa taxa de secagem permanece constante enquanto houver água livre na superfície do material para ser evaporada. No período 2, a taxa de secagem torna-se decrescente devido à menor quantidade de água presente no material, o que reduz a transferência de massa. Como há uma redução na migração de umidade para a superfície do material, consequentemente sua temperatura aumenta até que se iguale com a temperatura do ar de secagem. Nesse ponto, a pressão parcial do vapor de água na superfície do material se iguala à pressão do vapor de água presente no ar (KEEY, 1992). É quando a umidade de equilíbrio é atingida e o processo é encerrado (PARK, et, al., 2001).
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O processo de secagem não pode ser generalizado a todos os materiais biológicos, uma vez que cada material possui características específicas que podem ser alteradas drasticamente pelo processo de secagem (PARK, et, al., 2001). Dentre elas, estão a alteração na cor devido ao escurecimento enzimático e não enzimático, bem como perda de nutrientes pela exposição do alimento a temperaturas elevadas por períodos logos de tempo (GURGEL, 2014).
3.2.3 Modelagem matemática
Modelos matemáticos são de suma importância na prática, pois por meio deles é possível prever o comportamento de processos. Através de modelos matemáticos é possível fazer estudos de secagem, o dimensionamento e a otimização do processo e determinação da viabilidade de sua aplicação comercial (GURGEL, 2014).
Dentre os muitos modelos propostos para descrever a secagem de alimentos, os modelos que descrevem secagem em camadas finas são os mais utilizados. Esses modelos são classificados como teóricos, semi-teóricos e empíricos (FRANCO, et al., 2015).
A cinética de secagem pode ser empíricamente descrita ao ajustar o modelo de Page, aos dados experimentais, já que este se aplica a todas as três etapas do processo de secagem apresentadas anteriormente. Os modelos empíricos de secagem expressam uma relação direta do teor de umidade com o tempo de secagem, porém não oferecem informações sobre os fenômenos de transporte de calor e massa que ocorrem durante o processo (FRANCO, 2015).
Muitos modelos semi-teóricos são originados da solução simplificada da segunda Lei de Fick, dentre eles a Teoria Difusional, um modelo que se aplica na fase decrescente da taxa de secagem. Park, et al. (2001) explicam que a lei de Fick expressa que o fluxo de massa por unidade de área do material é proporcional ao gradiente de concentração de água, ou seja, depende de condições iniciais e de contorno definidas. Por isso, as soluções devem ser aplicadas a sólidos com formas geométricas simples, como planos, esferas e cilindros, e é feita a consideração que a difusivade é constante ou varia de forma linear ou exponecial com a concentração da água.
Para escolher o processo de secagem ideal, é preciso analisar parâmetros como tempo de secagem, energia necessária e propriedades do produto final. O coeficiente de difusão efetiva representa todos os parâmetros que influenciam a transferência de massa, e pode ser obtido a partir da solução analítica da lei de Fick. É comum ser relacionado com a temperatura através da equação de Arrhenius para avaliar a energia de ativação, que segundo Kashaninejad et al. (2007), indica a barreira enegética a ser vencida para que ocorra a difusão da água no produto.
3.2.4 Secagem por camada de espuma (foam-mat)
Dentre os métodos de secagem mais utilizados na atualidade, encontra-se o método em camada de espuma, ou foam-mat. Esse método consiste na desidratação de líquidos e semi-líquidos que são transformados em uma espuma estável através da incorporação de ar promovida por batimento contínuo ou injeção direta e possibilitada pela adição de um agente emulsificante, para posteriormente ser colocada em contato com ar aquecido para que ocorra a sua desidratação.
A Figura 4 mostra um modelo esquemático de como ocorre a secagem pelo método foam-mat. Primeiramente há a formação da espuma, onde é adicionado um agente emulsificante ao líquido ou semi-líquido que será desidratado e promove-se a incorporação de ar no material. A espuma é, então, disposta em camadas finas em placas e exposta a uma fonte de ar quente que facilmente consegue retirar a umidade do material graças às forças capilares promovidas pela movimentação do ar quente nas finas películas líquidas que separam as bolhas de ar da espuma (DANTAS, 2010). O produto final desidratado é retirado da placa e moído para que vire pó.
Figura 4 - Esquema da secagem pelo método de camada de espuma
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Alguns alimentos possuem proteínas e monoglicerídios que tornam possível a produção da espuma naturalmente quando batidos, porém os que não possuem esses elementos necessitam do acréscimo de agentes espumantes, como proteína de soja, albumina e monoestearatos de glicerol para que possam expandir quando forem incorporados de ar (GURGEL, 2014). A agitação faz com que o ar da atmosfera seja incorporado no material, formando bolhas de ar e promovendo a diminuição da densidade da espuma. Uma menor densidade é desejável, pois implica em uma maior expansão da espuma e, consequentemente, uma maior área de transferência de calor e uma secagem mais rápida, evitando que o material tenha maior perda nutricional ao ficar exposto ao calor por um intervalo de tempo prolongado.
A principal desvantagem do método é a necessidade de grandes áreas de superfície de secagem para obter grandes quantidades do produto final, além de que a necessidade de se usar aditivos pode afetar as características de sabor, cor e odor dos alimentos. Por outro lado, o processo apresenta como vantagens as baixas temperaturas de operação, tempo curto de secagem quando comparado a outros métodos. Estas vantagens aliadas com a obtenção de produtos finais de fácil reidratação e com características sensoriais satisfatórias (FRANCO, 2015), fazem com que a desidratação em camada de espuma seja uma alternativa viável para a desidratação de alimentos sensíveis a altas temperaturas, a exemplo de frutas e vegetais. Em trabalhos recentes são encontradas aplicações deste método de secagem em uma grande diversidade de frutas e legumes, como graviola (GURGEL, 2014), manga e abacaxi (DANTAS, 2010), polpa de coco verde (OLIVEIRA, 2019), caju (MACHADO, 2019), cenoura (DELMIRO, 2016), batata doce (PEGADO, 2016), casca de berinjela (SILVA, 2017), suco de yacon (FRANCO, 2015), melão (ASOKAPANDIAN, et al., 2016), fruto do mandacaru (MELO, et al., 2013), acerola (ARAUJO, et al., 2017) e cajá (FERNANDES, 2010).
4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 Materiais
Todos os procedimentos deste trabalho, desde a preparação da espuma à análise físico-química dos produtos finais, foram realizados com a estrutura e equipamentos do Laboratório de Tecnologia de Alimentos do Departamento de Engenharia Química da UFRN. As polpas de goiaba utilizadas para todos os experimentos foram de uma única marca, a Seridó Frutas, e de um único lote. O agente emulsificante utilizado para obtenção da espuma foi a albumina de ovo da marca Naturovos.
4.2 Metodologia
A Figura 5, abaixo, mostra um fluxograma experimental simplificado da metodologia seguida, desde a caracterização da polpa in natura até a caracterização do pó obtido, passando pela determinação da condição de batimento a ser adotada e a secagem.
Figura 5 - Metodologia adotada para a determinação da condição de secagem ideal da polpa de goiaba
Fonte: Autora, 2019.
4.3 Caracterização físico-química da polpa in natura
A polpa in natura foi caracterizada quanto sua densidade, acidez total titulável, teor de sólidos totais, umidade, teor de sólidos solúveis e potencial hidrogeniônico (pH).
4.3.1 Densidade
A densidade da polpa foi determinada utilizando uma proveta de 30 mL. A amostra era colocada na proveta previamente tarada até preencher completamente o seu volume e então era pesado em balança de precisão do modelo AD330 do
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fabricante MARTE, em triplicata. Sabendo da massa e do volume, a densidade era calculada com a Equação 1.
ρ = m v (1) Sendo: ρ = densidade (g/mL) m = massa da amostra (g) v = volume da proveta (mL) 4.3.2 Acidez total titulável
A acidez total titulável foi determinada utilizando a metodologia 317/IV do manual de Métodos Físico-Químicos para Análises de Alimentos do Instituto Adolfo Lutz. Uma amostra de 1 g foi homogeneizada em um Erlenmeyer com um volume de 50 mL de água destilada. Foram adicionadas 2 gotas de fenolftaleína e a mistura foi titulada com solução de hidróxido de sódio a 0,1 N sob agitação constante até que a coloração rosa persistisse por mais de 15 segundos. A Equação 2 mostra o cálculo utilizado para estabelecer a acidez total titulável.
g ácido cítrico 100 g da amostra=
NNaOH × Eq ácido × fNaOH × vNaOH ×100
P (2)
Onde:
NNaOH = Normalidade da solução de hidróxido de sódio; Eq ácido = 0,06404;
fNaOH = Fator de correção da solução de hidróxido de sódio utilizada, 0.936; vNaOH = Volume da solução de hidróxido de sódio gasto na titulação (mL); P = massa da amostra (g).
4.3.3 Teor de sólidos totais e umidade
O mesmo procedimento foi utilizado para determinar o teor de sólidos totais e umidade, todos os ensaios foram feitos em triplicata. Uma amostra de 1 g do material a ser analisado foi colocada em pesa-filtro previamente pesado estando seco e tampado. O pesa-filtro com a amostra foi, então, levado à estufa de circulação de ar a 70°C e após o tempo de 24 horas foi pesado novamente.
Sólidos totais (%) = mfinal - mp
minicial - mp (3)
Para calcular a umidade, foi utilizada a Equação 4. Umidade (%) = minicial - mfinal
minicial - mp (4)
Onde:
mfinal = massa do pesa-filtro com tampa + amostra após 24h na estufa (g) mp = massa do pesa-filtro vazio (g)
minicial = massa do pesa-filtro tampado + amostra antes de entrar na estufa (g) 4.3.4 Teor de sólidos solúveis
O teor de sólidos solúveis foi determinado por meio de medição direta através de um refratômetro de bancada (modelo Smart-1, ATAGO), utilizando amostras da polpa em triplicata. O valor obtido é expresso em °Brix.
4.3.5 Potencial hidrogeniônico (pH)
O potencial hidrogeniônico foi determinado utilizando um pHmetro (modelo Tec-5, TECNAL), de acordo com as normas do Manual Métodos Físico-Químicos para Análises de Alimentos do Instituto Adolfo Lutz.
4.4 Preparação da espuma e determinação do tempo de batimento
Para a preparação da espuma, foi utilizada albumina de ovo como agente emulsificante. Era pesado cerca de 180 g de polpa de goiaba em uma balança e adicionado 5% da massa final em albumina, seguindo a Equação 5, abaixo.
malb =
%alb × mp
100 - %alb (5)
Sendo:
malb =massa de albumina (g) mp = massa de polpa (g) %alb = percentual de albumina
A polpa com albumina foi batida com batedeira planetária (modelo PHP 500, Philco) em potência máxima por tempos pré-determinados a fim de obter a cinética de batimento. A espuma obtida tinha sua densidade determinada conforme a
25
metodologia apresentada na sessão 4.3.1 deste trabalho, em duplicata. Utilizando a relação entre a densidade da espuma e da polpa in natura, a expansão da espuma foi calculada utilizando a Equação 6.
(1) Expansão (%) = 1 ρespuma - ρpolpa1 1 ρpolpa × 100 (6) Sendo:
ρespuma = densidade da espuma (g/mL); ρpolpa = densidade da polpa(g/mL).
Foram analisadas espumas com tempos de batimento de 3, 6, 9, 12, 15 e 18 minutos. O tempo de batimento a ser utilizado nas secagens foi escolhido levando em conta alta expansão, coloração mais atrativa e aspecto visivelmente mais uniforme da espuma.
4.4.1 Caracterização físico-química da espuma
A espuma foi analisada quanto sua densidade, teor de sólidos totais, umidade, teor de sólidos solúveis, e potencial hidrogeniônico (pH), seguindo os procedimentos descritos na sessão 4.3.
4.5 Secagem
Para realizar a secagem em camada de espuma, a espuma obtida era distribuída uniformemente de forma a preencher totalmente uma placa de alumínio de 0,8 cm de espessura, 21,8 cm de largura e 36,9 cm de comprimento, previamente pesada.
4.5.1 Cinética de secagem
Foram definidas três temperaturas para a secagem da espuma de polpa de goiaba: 60°C, 70°C e 80°C. A placa com a espuma era levada a uma estufa de circulação de ar forçada, já ajustada à temperatura desejada. Para obter a cinética de secagem, o peso inicial do conjunto placa e espuma foi anotado antes de ser levado à estufa, e após o início do processo eram feitas novas pesagens a cada 10 minutos, até que a massa não sofresse alterações maiores que 0,3 g.
4.5.2 Aplicação do Modelo de Page
Para fazer a aplicação do Modelo de Page aos dados da cinética de secagem foi utilizado o programa Statistica 7.0.
A Equação 7 foi aplicada para encontrar a razão de umidade (RU) em cada ponto da cinética de secagem.
(1)
RU = Ut - Ueq
U0 - Ueq (7)
Sendo:
U0 = Umidade inicial da espuma (kg/kg em base seca) Ut = Umidade da espuma no tempo t (kg/kg em base seca)
Ueq = Umidade a espuma no momento de equilíbrio (kg/kg em base seca)
A umidade de equilíbrio considerada foi a umidade atingida no momento em que não houve mais perda de massa, ou seja, quando a taxa de secagem tornou-se nula. Em posse das razões de umidade, aplicou-se modelo de Page, que é descrito pela Equação 8.
(1) RU = exp ( -k × tn ) (8)
Onde:
RU = Razão de umidade t = tempo de secagem (min) k = constante de secagem (min-1)
n = Coeficiente do modelo (adimensional)
4.5.3 Obtenção da difusividade efetiva e da energia de ativação
Para obter a difusividade efetiva de transferência de massa para cada uma das temperaturas estudadas, a solução analítica da segunda Lei de Fick truncada no terceiro termo foi ajustada aos dados das cinéticas de secagem. Para tal, também foi utilizado o software Statistica 7.0. A Equação 9 descreve o modelo aplicado, considerando que foi utilizada uma placa plana de espessura L
(1) RU = 8 π2∑ 1 (2n-1)2 ∙ exp [ (2n-1)2 ∙ π2 ∙ D ef ∙t 4L2 ] ∞ n=3 (9) Sendo:
27
Def = Coeficiente de difusividade efetiva (m2/s) L = espessura da placa (m)
t = tempo de secagem (min)
Com o coeficiente de difusividade efetiva, é possível determinar a energia de ativação do processo a partir da equação de Arrhenius (Equação 10). Para tal, é utilizada sua forma linearizada (Equação 11). Foi utilizado o Microsoft Office Excel para fazer a representação gráfica.
(1) Def = D0 ∙ exp ( -E RT) (10) ln Def = ln D0 + (-E R) 1 T (11) Onde:
D0 = Constante da equação de Arrhenius (m2/s) E = Energia de ativação (kJ/mol)
R = Constante universal dos gases (kJ/mol.K) T = Temperatura (K)
4.6 Caracterização físico-química dos pós de goiaba
Ao final da secagem, os pós produzidos eram raspados da placa de alumínio com uma espátula plástica, moídos manualmente e acondicionados em sacos plásticos transparentes, novos e etiquetados. Os pós obtidos nas três temperaturas passaram pelas seguintes análises: umidade, teor de sólidos totais, teor de sólidos solúveis, higroscopicidade, atividade de água, acidez total titulável, densidade, fluidez, tempo de reconstituição e teor de ácido ascórbico, conforme as metodologias descritas a seguir. Todos os experimentos foram realizados em triplicata.
4.6.1 Teor de sólidos totais e umidade
As análises de teor de sólidos totais e umidade do pó seguiram a mesma metodologia utilizada para a determinação desses parâmetros da polpa in natura e da espuma, descrita na sessão 4.3.3.
4.6.2 Higroscopicidade
Seguindo a metodologia aplicada por Franco (2015), o experimento para determinação da higroscopicidade foi realizado em triplicata, pesando 1 g do pó em recipientes abertos e colocando-os em um dessecador fechado contendo uma solução saturada de NaCl. Os recipientes foram deixados no dessecador por 7 dias com temperatura ambiente controlada. Após os 7 dias, as amostras foram pesadas novamente. A higroscopicidade foi determinada pela Equação 12, (%, 1 g de umidade absorvida por 100 g de matéria seca).
(1) Higroscopicidade (%) = (mf- mi
mi ) (12)
Onde:
mf = massa da amostra após 7 dias (g) mi = massa inicial da amostra (g)
O material pode ser classificado de acordo com as faixas de higroscopicidade descritas na Tabela 1.
Tabela 1 - Classificação do material quanto à higroscopicidade
Fonte: GEA NIRO RESEARCH LABORATORY (2003)
4.6.3 Atividade de água (aw)
A atividade de água foi determinada diretamente utilizando o equipamento AQUALAB (SERIE 3TE, Brasil). Foram analisadas amostras de cerca de 1 g de pó, em triplicata.
4.6.4 Solubilidade
Para a determinação da solubilidade, foi seguida a metodologia descrita por Gurgel (2014). Uma mistura composta por 1 g de pó e 100 mL de água foi agitada por 5 minutos em um agitador mecânico por 5 minutos a 2500 rpm. A solução foi, então, transferida para tubos plásticos e centrifugada durante 5 minutos a 2600 rpm.
Não higroscópico <10%
Levemente higroscópico 10,1% - 15%
Higroscópico 15,1% - 20%
Muito higroscópico 20,1% - 25%
29
20 mL do sobrenadante foram cuidadosamente transferidos para um pesa-filtro previamente seco e pesado, e foi levado para uma estufa de circulação forçada de ar a 70 °C por 24 horas. O procedimento foi feito em triplicata. A solubilidade foi calculada utilizando a Equação 13.
(1)
Solubilidade = (mf- mi) ×(100+ mpó)
ma × mpó (13)
Sendo:
mf = massa final do pesa-filtro (g) mi = massa do pesa-filtro vazio (g) mpó = massa do pó diluído (g)
mamostra = massa do sobrenadante (g) 4.6.5 Acidez total titulável (ATT)
A acidez total titulável do pó foi determinada seguindo a mesma metodologia descrita na sessão 4.3.2. Os experimentos foram feitos em triplicata.
4.6.6 Densidade e fluidez
Para a determinação da densidade, foram utilizados dois métodos, ambos em triplicata. Para determinar a densidade aparente, foi utilizada uma proveta graduada de 10 mL previamente tarada, que foi preenchida com pó até o volume de 3 mL. O volume de pó foi pesado em uma balança de precisão. A Equação 14 foi utilizada para determinar a densidade aparente.
(1) d a= m V (14) Sendo: da = Densidade aparente (g/mL) m = massa de pó (g) V = Volume de pó (3 mL)
O segundo método foi a densidade do pó compactado, que consiste em bater cuidadosamente o fundo da proveta na bancada para promover a compactação do pó e observar a redução no volume até que fique constante. Com a Equação 15 foi determinada a densidade do pó compactado.
(1) d c= m V' (15) Sendo: dc = Densidade do pó compactado (g/mL) m = massa de pó (g) V’ = Volume de pó compactado (mL)
Em posse dos valores da densidade aparente e do pó compactado, foi possível determinar a fluidez usando os índices de Carr (CI) e de Hausner (HI). Com as Equações 16 e 17 foram calculados esses índices (ASOKAPANDIAN, et al., 2016). (1) CI = 𝑑𝑐 − 𝑑𝑎 𝑑𝑐 (16) (1) HI = 𝑑𝑐 𝑑𝑎 (17)
A fluidez do material é classificada conforme o exposto na Tabela 2, abaixo.
Tabela 2 - Classificação do material quanto à fluidez a partir dos Índices de Carr e de Hausner
Fonte: ASOKAPANDIAN, et al. (2016).
4.6.7 Teor de ácido ascórbico (Vitamina C)
Os pós obtidos foram analisados quanto ao teor de ácido ascórbico (AA) com o objetivo de perceber se a temperatura do processo tem impacto significativo no teor de vitamina C do produto final. Foi seguido o método utilizado pela AOAC (967.21) para a determinação do teor de ácido ascórbico.
0,5 g de pó foram homogeneizados em 50 mL de ácido metafosfórico a 1% durante 3 minutos em agitador mecânico. A solução foi titulada com a solução corante 2,6-diclorofenol-indofenol (DCFI), que foi anteriormente padronizada com 10
Fluidez Índice de Carr (%) Índice de Hausner
Excelente 0 - 10 1,00 - 1,11 Boa 11 - 15 1,12 - 1,18 Razoável 16 - 20 1,19 - 1,25 Aceitável 21 - 25 1,26 - 1,34 Ruim 26 - 31 1,35 - 1,45 Muito ruim 32 - 37 1,46 - 1,59 Péssima >38 >1,60
31
mL de uma solução padrão de 10 mg/100 mL de ácido 1-ascórbico (AA). A titulação foi considerada finalizada quando a solução titulada apresentasse uma coloração rósea que persistisse por mais de 15 segundos.
A Equação 18 foi aplicada para obter a quantidade de ácido ascórbico presente na amostra.
(1)
C = p × c × 50
V × m × 100% (18)
Onde:
C = Concentração de ácido ascórbico (mg/100 g de amostra) p = Volume gasto da solução padrão de AA (mL)
c = Concentração da solução de AA
V = Volume gasto da amostra para titular a solução diluída de DCFI (mL) m = Massa da amostra utilizada (g).
4.6.8 Tempo de reconstituição
A determinação do tempo de reconstituição foi feita seguido o procedimento descrito por Gurgel (2014). Para determiná-lo, é necessário devolver a água que o material perdeu durante a secagem. Assim, é utilizado o teor de sólidos totais da espuma para calcular a quantidade de água que será usada para reidratar uma determinada amostra do pó a ser reconstituído. A água e o pó são colocados sob agitação em intervalos de 30 segundos até que ocorra a dissolução total do pó. O tempo necessário para a dissolução completa é o tempo de reconstituição. O ensaio foi feito em triplicata.
4.7 Análise estatística
Os resultados das análises dos pós obtidos nas três condições de secagem foram submetidos à analise de variância (ANOVA) e as médias foram comparadas pelo teste de Tukey com 5% de significância de probabilidade. Foi utilizando o software Statistica 7.0 para os cálculos.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 Cinética de batimento
Para que seja realizada a secagem em camada de espuma, é preciso transformar o material em uma emulsão. Para tal, por vezes é necessário adicionar agentes emulsificantes quando o material não tem substâncias que permitam que ele se torne espuma apenas com o batimento, e esse foi o caso da goiaba. Por este motivo a albumina foi utilizada com agente emulsificante, pois além de ser um agente natural, ainda agrega valor nutricional ao produto final. Foi feita a opção de utilizar uma concentração de 5% de albumina.
Como etapa preliminar à secagem, foi feito um estudo da cinética de batimento da espuma de polpa de goiaba para que fosse determinado o tempo de batimento a ser utilizado. A Tabela 3 mostra o valor da expansão da espuma para cada tempo analisado.
Tabela 3 - Dados de expansão da espuma
Fonte: Autora.
Analisar a expansão da espuma é importante, pois uma maior expansão implica em uma maior área de contato da espuma com o ar quente que circula na estufa, ou seja, área de transferência de calor, o que implica em um tempo de secagem mais reduzido. Nota-se um aumento da expansão da espuma até 12 minutos de batimento, na medida seguinte, aos 15 minutos, a expansão cai. Isso ocorre pois em certo ponto a agitação deixa de incorporar mais ar no material e, ao invés disso, passa a destruir as paredes das bolhas de ar presentes na espuma, o que faz com que o material volte a ficar mais denso, consequentemente diminuindo a expansão.
Os valores de expansão a partir de 6 minutos de batimento podem ser considerados como superiores quando comparados com a expansão da espuma de
Tempo (min) Expansão (%)
3 96,022 ± 0,005 6 245,575 ± 0,011 9 619,249 ± 0,001 12 656,578 ± 0,003 15 646,214 ± 0,001 18 628,873 ± 0,002
33
outras frutas encontradas na literatura. Gurgel (2014) obteve espuma de graviola com expansão máxima de 202,7% com 20 minutos de batimento, utilizando 20% de leite, 1% de Emustab® e 1% de Super Liga Neutra®. Oliveira (2019) obteve espuma de polpa de coco verde com 319,77% de expansão com 5 minutos de batimento e 6% de emulsificante. Machado (2019) produziu espuma de caju com 528,2% de expansão utilizando 7% de albumina e 1% de Super Liga Neutra® como agentes emulsificantes e 25 minutos de batimento.
A partir da Tabela 3 pode-se perceber que o tempo de batimento que apresentou maior expansão foi 12 minutos. Entretanto, analisando as espumas visualmente, percebeu-se uma diferença na coloração da espuma, esta ficava mais esbranquiçada conforme a expansão aumentava. Uma vez que os valores de expansão das espumas obtidas de 9 minutos em diante são muito próximos e satisfatórios, e levando em consideração que a cor é um aspecto importante para a aceitação de produtos alimentícios, optou-se por utilizar 9 minutos de batimento como tempo de batimento padrão para as secagens. A Figura 6 mostra o aspecto da espuma obtida com 9 minutos de batimento.
Figura 6 - Espuma de polpa de goiaba
Fonte: Autora
5.2 Caracterização da polpa in natura e da espuma
Para efeitos de comparação dos impactos do processo nas características físico-químicas do produto final em relação à polpa de goiaba in natura e a espuma, estas foram caracterizadas quanto a densidade, potencial hidrogeniônico (pH), teor
de sólidos solúveis e acidez total titulável. Os resultados das análises são apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 - Caracterização físico-química da polpa in natura e da espuma de goiaba
Fonte: Autora.
É possível observar que, com exceção do pH, todas as outras características mudaram consideravelmente devido à presença da albumina e do processo de batimento. A densidade caiu drasticamente graças à incorporação de ar no material promovido pelo batimento. Os teores de sólidos solúveis e totais aumentaram devido à adição do agente emulsificante, consequentemente fazendo com que o teor de umidade diminua.
5.3 Cinética de secagem
Com os dados obtidos a partir das pesagens feitas a cada 10 minutos durante o processo de secagem, foi possível calcular as umidades e razões de umidade em cada ponto e ajustar o modelo de Page aos dados experimentais, plotando o gráfico da cinética de secagem nas três temperaturas estudadas, que relaciona a razão de umidade com o tempo de secagem. A Figura 7 apresenta as curvas de secagem nas temperaturas 60°C, 70°C e 80°C, bem como as curvas ajustadas através do modelo de Page aos dados experimentais.
Figura 7 - Gráfico da cinética de secagem das três temperaturas estudadas
Fonte: Autora.
Análise Polpa Espuma
Densidade 1,035 ± 0,013 0,144 ± 0,010 Teor de sólidos sulúveis (°Brix) 8,000 ± 0,026 14,767 ± 0,032
Teor de sólidos totais (%) 12,363 ± 0,993 18,070 ± 0,335 Umidade (%) 87,637 ± 0,993 81,930 ± 0,335
pH 4,017 ± 0,046 4,850 ± 0,030
-35
É possível observar que as secagens nas três temperaturas seguiram o comportamento clássico descrito na sessão 3.2.1. No início do processo a queda de umidade é rápida e diminui com o passar do tempo. Próximo ao fim do processo, a diminuição da umidade é menos acentuada, o que caracteriza o período de taxa decrescente que dura até que a condição de equilíbrio seja atingida.
É possível notar, também, que nas três temperaturas o comportamento da secagem é semelhante e condizente com o tempo de secagem em cada temperatura, que apresentou comportamento esperado e inversamente proporcional à temperatura do processo, ou seja, menores temperaturas implicaram em secagens mais longas. A secagem da espuma de goiaba a 60°C durou 100 minutos, a 70°C durou 70 minutos e a 80°C durou 50 minutos.
Na Tabela 5 são apresentados os parâmetros do modelo de Page ajustados aos dados da cinética de secagem da espuma de goiaba nas três temperaturas estudadas.
Tabela 5 - Parâmetros do modelo de Page
Temperatura (°C) n K (min-n) R²
60 1,505 2,602 ×10-2 0,994
70 1,503 4,493 ×10-2 0,994
80 1,568 5,743 ×10-2 0,994
Fonte: Autora.
Analisando os valores coeficiente de relação R², todos iguais a 0,994, é possível concluir que o ajuste do modelo de Page aos dados experimentais foi satisfatório.
O parâmetro K indica um taxa específica média de secagem. Como esperado, a taxa de secagem é proporcional à temperatura utilizada, sendo maior para a condição de 80°C, uma vez que uma maior temperatura implica em um menor tempo de secagem, fato que pode ser constatado na Figura 7, que mostra a cinética de secagem.
5.4 Determinação da difusividade efetiva e da energia de ativação
Utilizando a solução analítica da segunda lei de Fick, cuja série foi truncada no terceiro termo, foram calculadas as difusividades efetivas para os três experimentos de secagem cujos resultados são exibidos na tabela 6
Tabela 6 - Valores do coeficiente de difusividade efetiva Temperatura (°C) Def (m²/s) 60 6,080×10-7 70 9,687×10-7 80 1,329×10-6 Fonte: Autora.
O coeficiente de difusividade efetiva é um parâmetro que representa a interação de todos os parâmetros que influenciam a transferência, inclusive a temperatura, então é esperado que ele seja maior para temperaturas mais elevadas. Os valores encontrados para a polpa de goiaba foram entre 6,080 x 10-7 m²/s e 1,329 x 10-6 m²/s, valores condizentes com os encontrados na literatura pra frutas. Oliveira (2019), obteve coeficiente de difusividade efetiva de 4,688 x 10-7 m²/s na secagem de polpa de coco verde pelo método foam-mat a 80°C, Park et al. (2001) obtiveram difusividade efetiva de 1,370 x10-8 m²/s para a pêra em fatias em secador vertical convectivo a 70°C.
Para encontrar a energia de ativação do processo, os dados dos coeficientes de difusividade efetiva em função da temperatura foram ajustados à forma linearizada da equação de Arrhenius. O ajuste está representado graficamente na Figura 8.
Figura 8 - Dados do coeficiente de difusividade efetiva versus temperatura
Fonte: Autora.
A energia de ativação da espuma de goiaba foi de 3,410 kJ/mol, calculada utilizando o coeficiente angular da reta obtida. Diversos trabalhos na literatura apresentam a energia de ativação para alimentos. Oliveira et al. (2015) encontraram
37
2,122 kJ/mol de energia de ativação para o morango em estufa de circulação de ar a 40°C, 50°C e 60°C. Toralles et al. (2008) encontraram 46,3 kJ/mol como energia de ativação para purê de pêssego em secagem de 70°C a 90°C. Kashaninejad et al. (2007) encontraram 30,79 kJ/mol para a energia de ativação do pistache em cada fina entre 25°C e 70°C. A energia de ativação indica a barreira energética a ser superada para que ocorra o processo. Nesse caso, valores mais baixos indicam que menor energia precisa ser empregada para a retirada de umidade do material. O valor obtido para a espuma de polpa de goiaba com albumina é consideravelmente mais baixo possivelmente pela alta expansão da espuma, que facilita a difusão da água.
5.5 Caracterização físico-química do pó de goiaba
A Tabela 7, a seguir, mostra os resultados das análises físico-químicas realizadas nos pós produzidos nas secagens de espuma de goiaba nas temperaturas 60°C, 70°C e 80°C.
Tabela 7 - Caracterização físico-química dos pós de goiaba
Fonte: Autora.
O teor de umidade e a atividade de água são parâmetros de suma importância se tratando de conservação de alimentos, pois a presença de água junto de matéria orgânica cria um ambiente propício para a proliferação de microrganismos indesejados, bem como favorecem reações deteriorantes que levam ao apodrecimento do alimento. Os valores de umidade do pó de goiaba ficaram entre 5,00% e 6,80%. Dantas (2010) obteve umidade de 7,79% no pó de abacaxi produzido a 60°C pelo método foam-mat, Lima et al. (2016), ao secar melancia em leito de jorro, obteve pó com 3,36% de umidade. Gurgel (2014) obteve umidade
60°C 70°C 80°C Umidade (%) 6,844 ± 0,007a 5,490 ± 0,001b 5,005 ± 0,002b Atividade de água (aw) 0,319 ± 0,004 a 0,306 ± 0,007ab 0,303 ± 0,007b Higroscopicidade (%) 15,379 ± 0,002a 16,213 ± 0,006a 16,538 ± 0,007a Solubilidade (%) 63,723 ± 0,010a 65,823 ± 0,011a 64,576 ± 0,004a Tempo de reconstituição (s) 360 ± 0,000 180 ± 0,000 120 ± 0,000
Acidez total titulável (g ác. cítrico/100 g da amostra) 9,764 ± 0,010a 8,977 ± 0,035b 8,065 ± 0,008c Vitamina C (mg de AA/100 g de amostra) 19,269 ± 0,007a 19,295 ± 0,066a 19,308 ± 0,080a
Densidade aparente (g/mL) 0,393 ± 0,003a 0,363 ± 0,023a 0,401 ± 0,006a
Densidade do pó compactado (g/mL) 0,453 ± 0,006a 0,477 ± 0,030a 0,460 ± 0,001a
Índice de Carr (%) 11,832 ± 0,012a 13,719 ± 0,133a 12,800 ± 0,014a
Índice de Hausner 1,134 ± 0,015a 1,117 ± 0,181a 1,147 ± 0,018a
entre 2,83% e 6,91% para o pó de graviola produzido a 70°C pelo método foam-mat. Segundo Araújo (2001), alimentos com atividade de água entre 0,2 e 0,4 possuem estabilidade elevada, não sendo necessário o uso de conservantes. Já os valores obtidos para atividade de água nas três temperaturas foram todos abaixo de 0,4. Estes dois parâmetros comprovam que o método foam-mat é adequado para a secagem da polpa de goiaba.
Conforme os parâmetros na Tabela 1 da sessão 4.6.2, os pós obtidos nas três temperaturas são classificados como higroscópicos. É perceptível que a higroscopicidade é inversamente proporcional à umidade, o que é esperado, já que uma umidade mais baixa implica que o material tenha sua capacidade de reincorporação de água aumentada.
A solubilidade obtida para os pós de goiaba nas três temperaturas não foi alta, mas está de acordo com valores obtidos para pós de frutas na literatura. Oliveira (2019) obteve pó de polpa de coco verde a 75°C com 50,92% de solubilidade e Machado (2019) obteve pó de caju a 60°C com 66,12% de solubilidade, ambos pelo método foam-mat.
Já o tempo de reconstituição apresentou diferenças substanciais de uma temperatura para a outra. O pó obtido a 60°C levou mais que o dobro de tempo que o pó obtido a 80°C para ser reconstituído. Possivelmente este foi um efeito da menor umidade do pó de 80°C, que facilitou reincorporação da água. Por outro lado, o maior tempo de exposição ao calor pode também ter interferido na reconstituição do pó produzido na temperatura de 60°C. É possível que os valores do tempo de reconstituição e da solubilidade sejam afetados pelas partículas presentes na polpa da goiaba que não se dissolvem na água. É possível visualizar essas partículas até mesmo na espuma, como é evidenciado na Figura 6, na sessão 5.1.
Os valores da acidez total titulável obtidos são cerca de 8 vezes maiores quando comparado com o valor determinado para a polpa. Porém, é importante registrar que a elevada acidez se refere a um produto muito concentrado cujos valores podem ser justificados pelo baixo conteúdo de água no produto final. Posto isso, o valor da acidez titulável dos pós está de acordo com o encontrado na literatura para outras frutas. Para a graviola, Gurgel (2014) obteve pó com acidez entre 3,22% e 5,44%, valor 6 vezes maior que o da polpa in natura. Soares et al.
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(2001) obtiveram pó de acerola com acidez total titulável em torno de 10,24%, 7 vezes maior que o da polpa in natura.
A densidade aparente e do pó compactado são ferramentas para determinar a fluidez do pó a partir dos índices de Carr e Hausner. De acordo com o que foi apresentada na Tabela 2 da sessão 4.6.6, a fluidez do pó de polpa de goiaba obtido nas três temperaturas é considerada boa.
O teor de vitamina C (ácido ascórbico) presente nos pós de goiaba ficou na faixa de 19,269 mg/100g e 19,308 mg/100g. Seria esperado que o teor de vitamina C diminuísse com o aumento da temperatura, uma vez que nutrientes tendem a perder suas propriedades quando expostos a temperaturas mais altas, mas não foi o que aconteceu nesse caso. O menor teor de vitamina C foi observado no pó obtido a 60°C, e o maior teor foi observado no pó obtido a 80°C, mesmo que a diferença não seja de grande magnitude, como evidenciado pelo teste de Tukey com 95% de coeficiente de confiança. Isso ocorreu possivelmente pelo maior tempo de exposição ao calor no caso do pó de 60°C, que passou 10 minutos a mais exposto ao ar quente em relação ao pó de 70°C, e 35 minutos a mais em relação ao de 80°C. Nesse caso, o tempo de processo influenciou mais no teor de ácido ascórbico do que a temperatura em si. O pó de goiaba com maior teor de vitamina C apresentou uma perda de 82,12% em relação ao teor de ácido ascórbico da polpa in natura encontrado por Soares (2019), que foi de 107,99 mg/100g. Entretanto, os valores obtidos estão em concordância com dados da literatura para pós de frutas tropicais. Dantas (2011) obteve pós de manga e abacaxi pelo método foam-mat a 70°C que apresentaram 17,75 mg/100g e 14,32 mg/100g de teor de ácido ascórbico com 120 minutos e 50 minutos de secagem, respectivamente.
A Figura 9, abaixo, mostra os pós obtidos em 60°C, 70°C e 80°C.
Figura 9 - Pós de goiaba
Pela imagem, é possível perceber que o pó de 60°C é mais rosado e com grânulos maiores, o que já dá indícios de seu maior teor de umidade. O aspecto do pó vai ficando mais fino e mais alaranjado conforme a temperatura de secagem aumenta. Os três pós apresentaram-se satisfatórios tanto visualmente quanto aromaticamente.
A partir da análise da cinética de secagem e da caracterização dos pós obtidos, é plausível afirmar que a condição de 80°C é a mais vantajosa para a secagem de polpa de goiaba pelo método de camada de espuma. O teste de Tukey com 95% de coeficiente de confiança aplicado aos dados da caracterização físico-química mostra que, exceto para a umidade e atividade de água, os valores dos demais parâmetros não apresentam diferença significativa entre si. Analisando os parâmetros que apresentaram diferença, percebe-se que tanto a umidade quanto a atividade de água têm seus menores valores no pó de 80°C, o que é uma vantagem quando se trata de conservação, objetivo principal ao submeter um produto alimentício à um processo de desidratação. Também, seu tempo de reconstituição foi significantemente menor dentre as condições estudadas, bem como apresentou acidez e solubilidade satisfatórios. Além disso, apresentou a maior taxa de secagem entre as três condições estudadas, tendo um tempo de processo mais reduzido, o que implicou em menor gasto energético e ainda contribuiu para reduzir a perda do teor de vitamina C.
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6 CONCLUSÃO
Com o estudo preliminar da cinética de batimento, foi possível determinar o tempo de batimento padrão para as secagens em camada de espuma. A condição escolhida foi o batimento por 9 minutos com 5% de concentração de albumina.
A cinética de secagem da polpa de goiaba pelo método foam-mat apresentou o comportamento esperado descrito na literatura nas três temperaturas estudadas. Aos dados da cinética foi ajustado o modelo de Page, que apresentou coeficiente de correlação, R², igual a 0,994 para todas as condições, comprovando ótimo ajuste do modelo aos dados experimentais. As taxas de secagem ficaram entre 2,602 x 10-2 min-1 e 5,743 x 10-2 min-1, sendo a maior taxa obtida na secagem a 80°C. Os coeficientes de difusividade efetiva obtidos variaram entre 4,008 x 10-5 m²/s e 7,976 x 10-5 m²/s, aumentando com a temperatura do processo; e a energia de ativação obtida para a espuma de polpa de goiaba foi de 3,410 kJ/mol.
Os pós obtidos nas três temperaturas apresentaram valores de umidade e atividade de água adequados para a conservação de alimentos desidratados, boa fluidez, solubilidade e tempo de reconstituição satisfatórios e teor de ácido ascórbico (vitamina C) condizente com os valores de pós de frutas tropicais encontrados na literatura, o que afirma o método de secagem em camada de espuma como adequado para a secagem de polpa de goiaba.
Dentre as condições de secagem estudadas, a que apresentou o produto com melhores características foi a de 80°C, cujo pó apresentou o menor teor de umidade e atividade de água que, de acordo com o teste de Tukey aplicado aos dados, foram significativamente menores que os valores obtidos nas demais condições. Apresentou também o maior teor de vitamina C remanescente, boa fluidez e solubilidade e tempo de reconstituição mais satisfatório. Além disso, sua cinética de secagem apresentou o maior coeficiente de secagem decorrente de seu menor tempo de processo, o que implica em menor gasto energético e exposição do material ao calor, mantendo a maior integridade das propriedades originais da polpa de goiaba no produto final dentre as condições estudadas.
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