VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
AVALIAÇÃO DE PASTEURIZAÇÃO HTST ATRAVÉS DE INDICADOR ENZIMÁTICO E
HISTÓRICO DE TEMPERATURA
1
André S. Yamashita, 2 Helena F. Aguiar, 3Jorge A. W. Gut 1
Bolsista de iniciação Científica PIBIC/CNPq, discente do curso de Engenharia Química
2
Bolsista de mestrado CNPq, programa de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP
3
Professor do Dep. de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP
1,2,3
Escola Politécnica da USP, Dep. de Engenharia Química. Caixa Postal 61548, São Paulo - SP, 05424-970. http://pqi.poli.usp.br/lea/
e-mail: jorgewgut@usp.br
RESUMO - A avaliação de um processo térmico contínuo pode ser realizada através de um integrador tempo-temperatura (TTI) ou do histórico de temperatura do produto. Um TTI é um indicador biológico, químico ou físico cujas alterações térmicas possam ser quantificadas. O histórico de temperatura é obtido através de medições de temperatura e de tempo médio de residência no percurso do produto. Conhecida a cinética do atributo, tem-se a letalidade do processo. Neste trabalho utilizam-se as duas ferramentas para avaliar um processo HTST a placas para validação do uso de um indicador enzimático proposto. O indicador consiste na enzima fosfatase alcalina em tampão fosfato com quantificação reflectométrica. Através de ensaios descontínuos, foi ajustado modelo cinético de primeira ordem com duas frações. O indicador foi posteriormente utilizado para avaliação de um processo contínuo de escala laboratorial a 75 ºC. Paralelamente, foi determinado o histórico de temperatura experimental. As temperaturas foram obtidas através de sistema de aquisição de dados e termopares. Os tempos de residência foram obtidos por ensaios isotérmicos usando um traçador iônico. A letalidade foi avaliada através do indicador enzimático e do histórico de temperatura e os resultados foram comparados para validação do uso do indicador e para avaliação do processo.
Palavras-Chave: pasteurização, enzima, distribuição de tempo de residência
INTRODUÇÃO
O processo de pasteurização contínua HTST destina-se ao tratamento térmico de produ-tos alimentícios líquidos para a eliminação de microrganismos patogênicos e/ou deterioradores e de enzimas indesejáveis. A pasteurização bus-ca garantir a segurança microbiológibus-ca do alimen-to e aumentar sua vida de prateleira, preservando as características sensoriais e o valor nutricional (Lewis; Heppell, 2000).
De uma forma geral, processos térmicos envolvem três etapas distintas: aquecimento, permanência (retenção) e resfriamento. Idealmen-te, consideram-se aquecimento e resfriamento instantâneos e retenção isotérmica. Na prática, todos os três períodos contribuem para que as alterações térmicas ocorram, embora em muitos casos aquecimento e resfriamento se dão de maneira rápida e o período de retenção se torna o de maior importância. Dessa forma, procedi-mentos são necessários para avaliar cada etapa individualmente para determinar o efeito comple-to. A etapa de retenção é o mais simples de ser tratada, pois normalmente ocorre a temperatura constante e uniforme. Então, é necessário
esta-belecer como as alterações térmicas são afetadas pelas variações de temperatura durante aqueci-mento e resfriaaqueci-mento (Brennan, 2006).
Nos processos de pasteurização HTST, é comum o uso de trocadores de calor a placas para o aquecimento e o resfriamento indireto. Este tipo de trocador oferece grandes vantagens como fácil higiene interna, alta eficiência térmica, turbulência induzida no escoamento em baixa velocidade, viabilidade econômica para fabrica-ção em aço inoxidável, boa distribuifabrica-ção de tempe-ratura e construção compacta e modular que permite acomodar várias seções de troca térmica em um mesmo pedestal (Kakaç; Liu, 2002, Lewis; Heppell, 2000).
A taxa de mortalidade de microrganismos a altas temperaturas é de grande importância no estudo de processos térmicos de fluxo contínuo. Os diversos microrganismos têm, inerentemente, diferentes resistências a elevadas temperaturas, sendo as células vegetativas e as leveduras ge-ralmente mais suscetíveis, enquanto que esporos são mais resistentes e entre esses extremos, encontram-se os vírus (Lewis; Heppell, 2000).
A avaliação do grau de tratamento térmico do alimento (letalidade do processo) pode ser feita de duas formas: teoricamente, através da
análise das distribuições de temperatura versus distribuição de tempo de residência ou experi-mentalmente, utilizando integradores tempo-temperatura (Lewis; Heppell, 2000).
Um integrador tempo-temperatura (TTI, Ti-me-Temperature Integrator) é um componente termicamente sensível, intrínseco ou extrínseco ao alimento, que permite quantificar o impacto do processo térmico sobre um atributo de segurança ou de qualidade, sem conhecimento do histórico de temperatura. O princípio de ação de um TTI pode ser biológico, químico ou físico. As altera-ções que o processo provoca no TTI devem ser irreversíveis e de dinâmica similar ao atributo que é estudado (Lewis; Heppell, 2000).
O histórico de temperatura do produto pode ser obtido através de medições de temperatura e de tempo médio de residência ao longo do per-curso do produto. Conhecida a cinética do produ-to alvo, pode-se então obter a letalidade ao final do processo.
Utiliza-se a enzima fosfatase alcalina como um TTI intrínseco para avaliar a eficiência do processo de pasteurização HTST de leite, deven-do esta ser inativada no processo térmico (Fox; McSweeney, 1998).
Para o suco de laranja, a perda da qualida-de é atribuída à atividaqualida-de da enzima pectina-metilesterase (PME), que é mais resistente que microrganismos deterioradores presentes no ali-mento e, dessa forma, é geralmente utilizada para determinar a intensidade do processo térmi-co, durante a pasteurização comercial, sendo sua cinética de inativação estudada por Tribess e Tadini (2006). A análise dos resultados mostrou que a máxima inativação, em suco minimamente processado, varia de acordo com o pH e que um modelo cinético de primeira ordem com dois componentes se ajusta melhor aos dados expe-rimentais de inativação térmica da PME.
Gentry e Roberts (2004) estudaram a ciné-tica de formação de HMF (Hidroxi-Metil-Furfural) como TTI para dois sistemas contínuos de pas-teurização de suco de maçã e concluíram que o HMF pode ser utilizado como um indicador quími-co prátiquími-co para alimentos quími-com alta acidez, sendo necessários ainda estudos para determinar a dependência da cinética de formação com o pH e a concentração do aminoácido asparagina.
OBJETIVOS
Os objetivos do trabalho foram: 1) desen-volver um indicador enzimático para avaliação de processos contínuos HTST e determinar sua ciné-tica de inativação térmica; 2) aplicar este indica-dor para avaliação de um processo real; 3) con-frontar os resultados obtidos através do indicador e através do histórico de temperatura do proces-so.
MATERIAIS E MÉTODOS
Cinética de Inativação do Indicador Enzimáti-coA enzima fosfatase alcalina de mucosa in-testinal bovina em tampão fosfato (aqui denomi-nado indicador ALP) foi escolhida devido a sua fácil padronização, baixo custo e fácil determina-ção de atividade.
A determinação da atividade residual (AR) foi medida através do sistema portátil Reflecto-quant (Merck), mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Sistema Reflectoquant (Merck). O indicador foi preparado com enzima liofi-lizada em pó (Sigma-Aldrich) diluída em tampão fosfato (força 0,05 M e pH 6,6). Optou-se por usar o tampão fosfato para padronizar o indicador e permitir sua aplicação prática.
A concentração da enzima foi calculada de tal forma que a atividade inicial medida fosse próxima do limite superior de leitura do aparelho.
Ensaios descontínuos foram realizados em banho térmico controlado. As amostras, com cer-ca de 3 mL de indicer-cador ALP, foram inseridas em embalagens plásticas de pequena espessura (baixa resistência térmica). Foram acoplados termopares nas embalagens, que monitoravam a temperatura online. Diversas condições de tempo de imersão e temperatura do banho foram testa-das e a atividade enzimática residual (AR, %) foi determinada para cada condição.
O modelo matemático escolhido para re-presentar a inativação foi o de primeira ordem com duas frações, segundo a Equação 1:
( ) − ⋅ α − + + − ⋅ α =
∫
∫
∞ ∞ ref , ref ref , ref calc D t z T T D t z T T AR 2 0 2 1 0 1 d alog alog 1 d alog alog (1) onde α representa a fração resistente da enzima, Tref (°C) a temperatura de referência, T (°C) ohistórico de temperatura e D1, D2, z1 e z2 são os
parâmetros cinéticos do modelo.
Para cada ensaio, o histórico de temperatu-ra registtemperatu-rado foi utilizado patemperatu-ra calcular a atividade residual a partir da Equação 1 usando parâmetros cinéticos estimados. Por fim, o erro quadrático total foi minimizado com a ferramenta Excel Sol-ver (Microsoft) a fim de obter os parâmetros ciné-ticos ótimos para o ajuste.
Processo de Pasteurização HTST
Figura 2 - Foto do pasteurizador laboratorial, FT-43 (Armfield, UK).
O equipamento utilizado foi um pasteuriza-dor laboratorial FT-43 (Armifield), compreendido basicamente por um trocador de calor a placas (dividido em três seções: regeneração, aqueci-mento e resfriaaqueci-mento) e um tudo de retenção e os circuitos fechados de aquecimento e resfriamento (Figura 2).
As condições de operação testadas foram: vazão de 20 L/h de produto, vazão das utilidades aquecimento e resfriamento de 1,0 L/min e tem-peratura na saída do tubo de retenção de 75 °C. Atividade Residual a Partir do Histórico de Temperatura
Conhecidos os parâmetros cinéticos para o indicador enzimático estudado, calculou-se a atividade residual ao longo de todo o processo de pasteurização HTST, utilizando o histórico de temperatura e tempos médios de residência na Equação 1.
Determinação da distribuição de temperatu-ra: Foram utilizados 12 sensores de temperatura termopares (IOPE) ao longo do processo, mos-trado pela Figura 3. Os dados foram coletados quando o processo atingiu o regime permanente usando sistema de aquisição de dados cDAQ-9172 (National Instruments).
Figura 3 – Esquema do processo, indicando os pontos de controle.
Para o cálculo do histórico, foi considerado que a variação de temperatura entre os pontos estudados fosse linear e tivesse a duração do respectivo tempo médio de residência.
Determinação do tempo médio de residên-cia: Para obtenção experimental da DTR (distribu-ição do tempo de residência) foi utilizada a técni-ca condutimétritécni-ca com traçador iônico. As etapas do processo foram avaliadas individualmente, ou seja, cada seção do trocador foi estudada sepa-radamente, assim como o tubo de retenção.
Na entrada da etapa avaliada foram injeta-dos 0,05 mL de solução saturada de cloreto de sódio e na saída um condutivímetro YSI3200 (YSI) fez o registro online da variação da conduti-vidade elétrica pelo tempo usando um eletrodo de escoamento.
Para o ajuste dos dados, foram usados quatro modelos de escoamento: dispersão axial, tanques em série, laminar generalizado e compar-timentado PFR+CSTR. O ajuste dos parâmetros dos modelos foi realizado para minimizar o desvio entre os pontos experimentais e a curva teórica convolucionada com a DTR do sistema de aquisi-ção de condutividade. A convoluaquisi-ção foi necessá-ria para levar em conta o efeito indesejado do eletrodo sobre a DTR, já que seu volume interno não pode ser desprezado dado o tamanho do equipamento (Gutierrez et al., 2008a, 2008b). Atividade Residual a Partir do Indicador Enzi-mático
Foi processado o indicador ALP nas condi-ções de operação em processo contínuo do equi-pamento estudado (Figura 2). Ao final do trata-mento térmico foi medida a atividade enzimática, A, utilizando o sistema portátil Reflectoquant (Merck), e a atividade residual foi calculada pela Equação 2, em que A0 é a atividade medida antes
do processamento. As atividades foram determi-nadas em quintuplicata.
0 A
A
AR= (2)
Atividade Residual Ideal
A atividade residual ideal foi calculada pela Equação 1 levando em conta um histórico de temperatura ideal, ou seja, com aquecimento e resfriamentos instantâneos e retenção isotérmica na temperatura de pasteurização, 75 ºC.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Cinética de Inativação do Indicador Enzimáti-coForam realizados 64 ensaios para o indica-dor, em condições de tempo/temperatura diferen-tes. A Figura 4 mostra o gráfico de paridade para o ajuste dos parâmetros da Equação 1. Pode-se notar que o erro experimental é considerável, mas foi possível ajustar adequadamente o modelo cinético. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 AR experimental A R c a lc u la d o 60C 65C 70C 75C 80C 85C 45º +15% –15%
Figura 4 – Gráfico de paridade para o modelo cinético ajustado.
Os resultados do modelo ajustado para Tref
de 75 °C são mostrados na Tabela 1. Tabela 1 – Parâmetros cinéticos ajustados
α α α
α D1 (s) z1 (ºC) D2 (s) z2 (ºC)
0,59 478 7,57 3,83 6,57
A Figura 5 mostra o decaimento da ativida-de enzimática para diversas temperaturas ao longo do tempo, baseado no modelo cinético ajustado. É claro o comportamento distinto das duas isoenzimas. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 30 t (s) A R 65 °C 70 °C 80 °C 85 °C ALP 75 °C 90 °C
Figura 5 – Curva de decaimento da atividade enzimática do indicador ALP
.
Distribuição de Temperatura e Tempo Médio de Residência
A Figura 6 mostra a distribuição de tempe-ratura ao longo do processo de pasteurização HTST nas condições de operação, utilizando os tempos médios de residência.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 tempo (s) T ( °C ) Ideal Experimental
Figura 6 – Histórico de temperatura experi-mental (azul) e ideal (vermelho).
A partir do histórico de temperatura, utili-zando a Equação 1, com os parâmetros ajusta-dos da Tabela 1, foi possível obter a curva de atividade residual em relação ao tempo de resi-dência ao longo do processamento, mostrado na Figura 7.
A atividade residual medida no processo, determinado pelo indicador ALP, foi de 48±3 % (Equação 2). A atividade residual prevista pelo histórico de temperatura experimental na Figura 6 é de 47 %. O valor de AR previsto pelo modelo está contido no intervalo de desvio padrão de AR medido, como mostra a Figura 7. Esta proximida-de valida a avaliação da letalidaproximida-de do processo
contínuo através do histórico de temperatura nas condições estudadas. 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 0 20 40 60 tempo (s) A R
Experimental Ideal Medido
Figura 7 – Curvas de atividade residual a partir dos históricos de temperatura experimental e ideal, incluindo a atividade residual medida na saída do processo.
A Figura 7 mostra ainda a curva ideal de a-tividade residual, obtida a partir de um histórico de temperatura ideal (linha vermelha na Figura 6). O valor de AR ao final do processo ideal é de 63 %. A diferença em relação ao valor obtido indica que há sobre-processamento do produto. A dife-rença não é grande, pois, como pode-se notar na Figura 5, o atividade residual do indicador ALP tem pouca sensibilidade para processamento a 75 ºC.
Através do histórico de temperatura na Fi-gura 6, verifica-se que o sobre-processamento é causado principalmente pelas longas conexões de entrada e saída do tubo de retenção, que aca-bam por estender a permanência em alta tempe-ratura. Além disso, a perda de calor para o ambi-ente durante a retenção exige uma elevação de 1,4 ºC na temperatura do produto que sai da se-ção de aquecimento. Este aumento de temperatu-ra tem importante contribuição na letalidade.
CONCLUSÕES
Foi desenvolvido e testado um indicador enzimático para avaliação de um processo contí-nuo HTST a placas. Este indicador foi aplicado para avaliar um processo real e o resultado foi coincidente com o calculado a partir do histórico de temperatura experimental. Esta avaliação vali-dou a forma de cálculo da letalidade pelo histórico usando tempos médios de residência e permitiu diagnosticar problemas de sobre-processamento no processo estudado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BRENNAN, J.G., 2006. Food Processing Handbook, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, p. 33-70.
FOX, P.F.; McSWEENEY, P.L.H., 1998. Dairy Chemistry and Biochemistry, 1. ed, London: Blackie Academic & Professional, p. 324-327.
GENTRY, T.S.; ROBERTS, J.S., 2004. Formation Kinetics and application of 5-hydroxymethylfurfural as a time-temperature indicator of lethality for continuous pasteurization of apple cider, Innovative Food Science and Emerging Technologies, v. 5, n. 2, p. 327-333.
GUTIERREZ, C.G.C.C.; DIAS, E.F.T.S.; GUT, J.A.W., 2008a. Distribuição do tempo de residência nos tubos de retenção de um pasteurizador de leite. In: XXI Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia de Alimentos, 2008, Belo Horizonte.
GUTIERREZ, C.G.C.C.; DIAS, E.F.T.S.; GUT, J.A.W., 2008b. Distribuição do tempo de residência no trocador de calor a placas de um pasteurizador de leite. In: XXI Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia de Alimentos, 2008, Belo Horizonte.
KAKAÇ, S., LIU, H., 2002. Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design, 2. ed. Boca Raton: CRC Press, 501 p.
LEVENSPIEL, O., 2007. Engenharia das Reações Químicas, Tradução de Verônica M. A. Calado, Revisão técnica Frederico W. Tavares, 3. Ed, São Paulo: Editora Edgard Blücher, 563p.
LEWIS, M., HEPPELL, N., 2000. Continuous Thermal Processing of Foods: Pasteurization and UHT Sterilization, Gaithersburg: Aspen Publishers, 447 p.
TRIBESS, T.B.; TADINI, C.C., 2006. Inactivation Kinetics of pectin methylesterase in orange juice as a function of pH and temperature/time process conditions. Journal of the Science of Food and Agriculture, v. 86, n. 9, p. 1328-1335.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP pelo auxílio financeiro e ao CNPq pelas bolsas concedidas.
