Ondas de Ultra-Sons. Escola Superior Agrária de Coimbra Processamento Geral de Alimentos. Janeiro de 2010

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Ondas de

Ultra-Sons

Escola Superior Agrária de Coimbra

Processamento Geral de Alimentos

Janeiro de 2010

Trabalho realizado por: Ana Santos 20803012 Diana Lourenço 20803024 Sandrina Ferreira 20803035 Neide Pita 20603078 Ana Cabete 3659

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Introdução



História de desenvolvimento das ondas de ultra-sons



Efeitos que provocam nos alimentos:

•Inactivação microbiana

• Calor e transferência de massa • Homogeneização

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História

1900 – Primeiros Estudos

1920 – Investigação na aplicação na Indústria Alimentar

2000/2001 – Aplicações na Indústria Alimentar

2001 – Desenvolvimento de mecanismos que explicam o

efeito das ondas nos alimentos

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Ondas Sonoras

Transmissão do som:

Movimentos ordenados e periódicos das moléculas do meio, com a energia dinâmica transferida para as moléculas adjacentes sem transferência de matéria.

Propriedades:

R

eflexão, interferência, adsorção, dispersão

Propagação:

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Ondas Sonoras

Longitudinais Transversais O movimento das partículas é perpendicular à direcção de propagação da onda O movimento das partículas é o mesmo que

o movimento da onda

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Características das Ondas

Velocidade (c):

Rapidez de propagação de uma onda num meio

c = λ x f

Comprimento de onda (λ):

Distância entre as cristas das ondas

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Frequência (f):

Número de cristas de onda que passam por determinado ponto numa unidade de tempo.

f = 1/T

Amplitude (A):

Altura da onda.

Intensidade (I):

Medida do fluxo de energia acústica através de uma unidade de área do meio numa unidade de tempo.

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Cavitação

 Ocorre em meios líquidos

 Regiões de compressão (pressão positiva) e rarefacção (pressão negativa).

Rarefacção Pressão negativa elevada

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Cavitação

Transitória Estável

A bolha rebenta devido ao aumento de tamanho progressivo A bolha não rebenta, mantendo o seu tamanho

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Factores que levam à ocorrência de cavitação:

 Frequência de vibração

 Intensidade de vibração  Viscosidade do solvente

 Tensão superficial e pressão de vapor  Atenuação de vibração pelo meio

 Presença de bolhas de gás  Temperatura ambiente  Pressão

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Fluxo de líquido e Movimento de bolhas

A agitação de ultra-sons é utilizada na: Transferência de calor e de massa Emulsificação

Limpeza de superfícies Degradação de polímeros

Microstreaming ocorre devido ao crescimento e à retracção das bolhas de cavitação durante os ciclos de rarefacção e compressão.

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Microstreamers Bolhas que se movem através do campo acústico:

Anti-nó de pressão Nó de pressão

Diâmetro da bolha inferior ao tamanho da ressonância Diâmetro da bolha superior ao tamanho da ressonância Tamanho da ressonância determinado por:

• Propriedades do líquido

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Quando uma bolha de

cavitação transitória rebenta… Rápido influxo de líquido em todas as direcções Elevado cisalhamento e choque no líquido

Se a bolha de cavitação

transitória rebentar perto de

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Em campos acústicos…

 Movimentos de bolhas ocorrem devido às diferenças

de densidade entre a bolha de gás e o líquido.

Quando a bolha se forma o gás difunde-se progressivamente a partir do meio líquido.

A bolha une-se a outras bolhas aumentando desta forma de tamanho até flutuar para a superfície.

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Química Sonora

Factores que levam ao desenvolvimento das reacções químicas:  Formação de radicais livres

 Aumento das taxas de reacção

 Condições de processamento menos extremas  Facilita o inicio de reacções difíceis

 Reduz o número de etapas de processamento  Altera o caminho da reacção

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Cavidade em colapso

Existência de pressões, temperaturas e taxas de arrefecimento extremas, juntamente com gás/ vapor a partir do meio líquido

Formação de radicais hidroxilo da água, que podem reagir com outras

substâncias químicas no interior da cavidade, ou difundir-se no meio líquido onde podem reagir com outros compostos

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Outras reacções

Existência de compostos voláteis no meio líquido

Difundem-se para a cavidade durante a expansão podendo sofrer reacções químicas durante o colapso.

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No líquido…

O cisalhamento criado pelo colapso da cavidade provoca:



Rupturas nas cadeias de polímeros,



Aumenta as taxas de reacção devido a um aumento na

energia cinética das moléculas,

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Instrumentação de

Ultra-Som

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Transdutores

Dispositivos que convertem uma forma de energia noutra.

Em ultra-som:

Mecânicos ou Electroacústicos

Energia mecânica ou eléctrica Som de alta frequência

http://images.google.pt/imgres?imgurl=http://www.tecnomedicao.com.br/transdutores/imagens/transdutores.jpg&imgrefurl=http://www.tecnomedicao.com.br/%3Fp%3Dtransdu

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Equipamento de Ultra-Som

Apitos reactores:

Fonte mecânica de som Flui ao passar uma lâmina de metal Causa vibração

Vazão de líquido elevada Gera ultra-som Cavitação

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Banho de ultra-som :

Banho de metal com um ou mais transdutores fixos às paredes do tanque.

Sistemas de Sonda:

Espécie de megafone de metal junto ao transdutor ultra-som.

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Ultra-Sons em Processos Alimentares



Aplicação como acompanhamento de um processo

ou produto alimentar



Pode afectar as propriedades dos alimentos



Uso combinado com outras tecnologias de

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 Usado isoladamente ou em combinação

• Utilização em produtos alimentares

• Eliminação de microrganismos contaminantes de alimentos • Processamento de superfícies

Tratamento Antimicrobiano

https://idmed1.websiteseguro.com/imagens/imag e/lavando_pessego.jpg

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1. Sensibilidade de diferentes microrganismos

• Destruição de bactérias, esporos, leveduras, fungos, protozoários e vírus.

• Esporos e alguns vírus são difíceis de inactivar com ultra-som.

• Bactérias positivas são menos sensíveis ao ultra-som que bactérias Gram-negativas.

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Destruição da carga microbiana por:

• Tratamento térmico; • Tratamento de pressão;

• Tratamentos de calor e pressão.

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 Aumento da taxa de inactivação microbiana

 Limitações do ultra-som combinado com processamento térmico: • a sua eficácia diminui com o aumento da temperatura;

• o aumento da pressão de vapor diminui a tensão superficial do líquido

Redução do efeito de cavitação

3. Ultra-som combinado com calor e pressão

 A sensibilidade de esporos e bactérias pode aumentar pela combinação de pressão, temperatura e tratamento de ultra-som.

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4. Processamento do Meio

 O aw afecta a eficácia do

ultra-som Mais eficaz quando aw é maior  O pH do meio altera o

tratamento com o ultra-som Diminuição de pH reduzindo a sobrevivência de bactérias e leveduras  Aumento de microrganismos

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 Frutas e legumes utilizados nalguns tipos de alimentos minimamente processados podem deteriorar;

 Na lavagem em água deve-se colocar um desinfectante para reduzir a carga microbiana;

 É difícil encontrar um sanitizante eficaz, pois as bactérias podem ser difíceis de destruir ;

 Tratamentos químicos e de frequência ultra-som são utilizados na limpeza de ovos.

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 Limpeza das superfícies de contacto com osalimentos;  Remoção de esporos microbianos em superfícies;

 Remoção de contaminação por proteínas nas facas em matadouros;  Utilização do ultra-som na limpeza de moldes de queijos.

6. Descontaminação das Superfícies de Processamento

A eficácia do ultra-som é afectada pelo: _Material

_Tratamento _Tempo

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Melhoria na Transferência de Massa

– Remoção de líquidos a partir de um material

Secagem

Maior eficácia na combinação de ultra-som e ar de secagem em temperaturas mais baixas.

A taxa de secagem depende de: • Estrutura do material • Temperatura • Humidade Relativa • Ar • Velocidade  Condições de secagem

 Combinação particular do material  Sistema de ultra-som

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– Imersão de produtos alimentares numa solução concentrada

 A água move-se do produto para a solução de alta concentração;

 Melhoria do equilíbrio do açúcar, levando à estabilidade da textura e da cor;  Usado como pré-tratamento antes do congelamento ou secagem;

 O tratamento de ultra-som é eficaz no aumento da taxa de desidratação osmótica.

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Métodos usados para melhorar a taxa de penetração de água salgada: Agitação

Saída de vácuo

Aumento da concentração de salmoura Aumento da temperatura de salga

Salga do queijo

– Aumento da segurança a nível microbiano e maturação do produto.

O uso do ultra-som pode afectar:  Formação de aminoácidos livres

 Formação de ácidos gordos livres durante a maturação Diferenças na textura, aroma, odor e sabor do queijo.

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 Aumento do rendimento ao cozinhar e manter as partes de carne boas após o cozimento.

 A carne tratada por ultra-som é mais macia e suculenta, com um maior rendimento de produção

 O tratamento de ultra-som afecta a microestrutura do produto

Alimentos Curados

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Filtração por Membranas

• Micro-filtração • Osmose reversa • Destilação

 Diminuição da taxa de fluxo

_ Acumulação de componentes alimentares sobre os poros _ Polarização da concentração

Frequência e intensidade de ultra-som

 Aplicação intermitente ou contínuo durante a filtração

Condições durante o ciclo de limpeza

 Tamanho das partículas coloidais Cavitação induzida por erosão

Streaming acústico Microstreaming

Provocam danos na permeabilidade e na microestrutura da membrana

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Melhoria na Transferência de Calor

Congelamento

Vantagens

 Diminuição do tempo necessário

 Aumento da qualidade dos alimentos

Tamanho dos cristais de gelo ⇒ danos da microestrutura

Desvantagem

 Geração de calor

Ultra-som + Congelamento por imersão

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Batata em banho de ultra-som (25 kHz)



7,3 W: sem efeitos significativos

– Baixa intensidade da agitação produzida

– Pequeno aumento na transferência de calor



15,9 W: equilíbrio da transferência de calor entre o meio de

refrigeração e da batata

– Maior agitação

– Maior produção de calor

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Descongelamento

 Minimizar o tempo de descongelamento e a

formação de pontos quentes nos alimentos

 Manter a qualidade do produto  Prevenir cozimento parcial

 Prevenir o aumento do crescimento microbiano.

A absorção de energia ultra-som depende de:

_ Relaxamento termo-elástico dos cristais de gelo _ Orientação e o tamanho destes

_ Impurezas presentes no gelo _ Temperatura

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Cozimento

• Reduz o tempo de cozimento • Reduzo consumo de energia • Aumenta o rendimento

 Provoca o empobrecimento do sabor

Ultra-som + Banho de água

 Maior transferência de calor

(aumento do coeficiente de ultra-som e agitação do líquido) Temperatura uniforme

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Processamento das Proteínas dos Alimentos

• aquecimento localizado • formação de micro-jactos • alto cisalhamento

• agitação de líquidos

• lise da cadeia polimérica • formação de radicais livres

Produção de efeitos desejáveis ou indesejáveis no produto final por:

 Desnaturação de proteínas responsáveis por

texturas indesejáveis e mudanças de cor e sabor

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Inactivação Enzimática

http://www.ib.unicamp.br/imagens/fosfolipase_A2.jpg http://www.tifr.res.in/~bics/bics/images/ GlutPeroxidase-1GP1.png • Plantas • Tecidos animais • Microrganismos http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe3/Glicolitica/bild01.GIF

Aumenta a eficácia da inactivação térmica de enzimas

_ Composição e pH do meio de tratamento _ Proteínas vinculadas ou livres

_ Potência e frequência do ultra-som _ Tempo de exposição

_ Intensidade da cavitação

_ Temperatura e pressão do processo • Adição de sais de cálcio ou

de soro protéico hidrolisado

Desnaturação de enzimas

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Alterações da proteína

Mudanças na conformação da proteína

Afecta as características dos produtos fabricados a partir da matéria-prima processada por ultra-som

Iogurtes

Leite tratado com ultra-som:

• força de compressão mais elevada • maior viscosidade

Antes da adição da cultura starter:

• fermentação mais lenta

Rápida hidrólise da lactose

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Ultra-som como auxílio ao Processamento

Aumento da eficiência dos processos enzimáticos:

• reforço da esterificação da glicose • hidrólise do azeite

• proteólise da caseína por -quimotripsina • hidrólise -amilase e glicoamilase do amido • hidrólise -amilase do glicogénio

_ Aumenta a taxa e a extensão da hidrólise da lactose;

_ Níveis significativamente mais

elevados de glicose residual no leite;

_ Consumo da glicose pelas bactérias.

Hidrólise da lactose no leite

(Lactobacillus bulgaricus)

http://www.frm.utn.edu.ar/cmateriales/Trab.%20Inves.%28al um%29/Soldadura%20por%20ultrasonido/sonotrodo8.jpg

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Homogeneização e Emulsificação



Mistura de componentes imiscíveis

Colapso das bolhas de cavitação



Distribuição uniforme das partículas

_ Sonotrodo

_ Apito reactor

• Homogeneizar os glóbulos de gordura

• Melhorar a viscosidade e reduzir a sinérese

Contaminação

Oxidação

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Tenderização da carne

 Quebra de sarcómeros e rompimento miofibrilar • Características do animal

• Manipulação do animal antes do abate • Manipulação da carcaça

Factores que influenciam a maciez da carne:

_ Concentração de colagénio

_ Diferenças na distribuição do tecido conjuntivo

Ultra-som (2,4 MHz)

Aumento da firmeza

Proteólise por libertação de catepsina