Faculdade de Engenharia Química
ROSILENE GOMES COSTA
SECAGEM DE POLPA DE AÇAÍ EM LEITO DE JORRO:
INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS OPERACIONAIS NO
DESEMPENHO DO PROCESSO E NA QUALIDADE DO
PRODUTO
CAMPINAS
2015
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Antonio e Rosa Costa, aos meus irmãos Renato, Rosilane, Rosileide e Ricardo, ao meu companheiro Aldenor Lacerda e ao meu filho João Victor,
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por ter me direcionado e me concedido força, proteção e saúde para desenvolver esse trabalho. Agradeço ainda a Nossa Senhora que atendeu as minhas preces, intercedeu por mim e me fortaleceu espiritualmente para alcançar essa vitória.
Aos meus pais, Antonio Aureliano da Silva Costa e Maria Rosa Gomes Costa, pelo amor incondicional, apoio, dedicação e paciência durante todo esse período.
Ao meu querido companheiro Aldenor Lacerda de Souza pelo seu amor, apoio, atenção, e pelos momentos de grande alegria. Ao meu amado filho João Victor Costa Lacerda, que estava em meu ventre nos últimos momentos desse trabalho, preenchendo meu corpo com um amor imensurável, que me proporcionou a tranquilidade e a paz necessária para finalizar esse trabalho.
Aos meus irmãos Renato, Rosilane, Rosileide e Ricardo pelo companheirismo, amor e por sempre estarem me apoiando.
A minha sobrinha Paula Joana e as minhas afilhadas Maria Cecília e Eduarda, por preencherem meu coração com alegria e amor, me proporcionando momentos de plena felicidade, que me fortaleceram para alcançar essa vitória.
Ao Prof. Dr. Osvaldir Pereira Taranto, pela confiança e dedicação na orientação deste trabalho, por seus ensinamentos, paciência e colaboração em cada etapa do desenvolvimento desse trabalho.
Ao Prof. Dr. Lênio José Guerreiro de Faria, pela sua coorientação, incentivo e força que foram de suma importância para a realização desse trabalho.
A Dra. Rafaella Mattietto por sua atenção e importante contribuição.
A querida amiga Kaciane Andreola por sua inestimável amizade e por todo o seu apoio e contribuição, que foram importantes não só para a realização desse trabalho como também para a minha vida.
A amiga Luiza Helena Martins que esteve sempre presente na minha vida acadêmica, desde a graduação, e se tornou muito mais que uma amiga de trabalho, se tornou parte da minha família.
Ao Sr. Genival e sua esposa Ana Tancredi, por quem eu tenho muita gratidão já que me ajudaram com a minha estadia em Campinas-SP, sendo então de suma importância para a realização desse trabalho.
Ao meu eterno grupo de estudos e companheiros estimados de trabalho Simone da Paz, Erika Souza, Silmara Carvalho, Clairon Lima e Carlos Alexandre da Silva por estarem sempre presente na minha vida profissional e pela sua inestimável amizade.
Aos amigos do laboratório de processos termofluidodinâmicos (LPTF) Carlos Alexandre da Silva, Kaciane Andreola, José Júnior, Leticia Guadanine, Wilson dos Santos, Karine Zanella, Harrison Santana e Sidmara Bedin, pela amizade e pelos momentos de estudos, alegria e confraternização.
Aos amigos do laboratório de engenharia de produtos naturais (LEPRON), Erika Souza, Daniela Lira, Elisangela Andrade, Carolina Silva, Elza Santana, Maria Valente, Hellen Barros e Lorena Corumbá, pela amizade e companheirismo no trabalho. Agradeço ainda ao aluno Walber Pereira pela importante contribuição para realização das anál
ises químicas.
Aos queridos amigos da UNICAMP, Cynthia Mahl, Germano Possani, Ananda Nobrega, Ivi Carvalho e Ivanei Pinheiro pelos momentos de alegria e confraternização.
A UNICAMP pela estrutura disponibilizada para a realização deste trabalho. Agradeço ainda aos professores da FEQ por compartilharem seus conhecimentos e ensinamentos.
Ao CNPq pelo auxílio financeiro concedido através da bolsa de doutorado.
Enfim, a todos que direta ou indiretamente contribuíram para que esse trabalho se concretizasse.
"Bendize a Deus em todo o tempo, e pede-lhe que dirija os teus passos, de modo que os teus planos estejam sempre de acordo com a sua vontade" (Tobias 4",20b)
“Confia ao Senhor a tua sorte, espera nele, e ele agirá. Como a luz, fará brilhar a tua justiça; e como o sol do meio-dia, o teu
direito.”. (Salmo 36)
RESUMO
O açaí é um alimento energético e nutritivo, que tem demonstrado propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e cardioprotetoras. Contudo, é um produto altamente perecível, sendo necessários estudos para sua conservação. A produção de açaí em pó é uma forma de aumentar o seu tempo de vida útil, além de facilitar o transporte, armazenamento e manuseio. As formas mais usuais de produção de açaí em pó são liofilização (freeze drying) e atomização (spray
drying), todavia uma técnica que utiliza secador de leito de jorro com partículas inertes pode
ser apontada como uma alternativa viável, já que produz produtos de qualidade similar ao secador spray a custos de investimentos inferiores, além de apresentar a vantagem de permitir a secagem de materiais termicamente sensíveis. A presente tese de doutorado tem como objetivo estudar o processo de secagem de açaí em leito de jorro utilizando partículas inertes, avaliando a influência dos parâmetros operacionais no desempenho do processo e na qualidade do produto. Os experimentos foram estatisticamente planejados e conduzidos de forma aleatória. As variáveis operacionais estudadas foram selecionadas a partir de um estudo preliminar que permitiu uma triagem do processo utilizando o planejamento Plackett-Burman (PPB). Realizou-se então, um planejamento composto central rotacional (PCCR) avaliando a influência da temperatura do ar de secagem (55-75 °C), da vazão de ar de secagem (1,2-1,3×
Qjm) e da concentração de maltodextrina (0,15-0,25 gmaltodextrina/gpasta AD) sobre as respostas
eficiência de produção de pó, teor de umidade final e concentração de antocianinas. Para um nível de confiança de confiança de 95 %, todas as variáveis estudadas influenciaram positivamente na eficiência de produção de pó. O aumento da temperatura causou diminuição significativa na umidade final do pó. A vazão de ar foi a variável operacional que mais afetou a degradação das antocianinas. A realização do PCCR permitiu a construção de um modelo polinomial de segunda ordem para cada uma das respostas estudadas. A análise da superfície respostas e da função desejabilidade global permitiram a identificação de uma condição ótima (temperatura: 66 ºC, vazão de ar: 1,24×Qjm e concentração de maltodextrina: 0,205 gmaltodextrina
gpasta AD) para maximizar simultaneamente todas as respostas. Nessa condição obteve-se um pó
poroso, solúvel, com excelente escoabilidade, baixa umidade, rico em antocianinas e com potencial nutritivo e energético. Portanto, a partir dos estudos realizados verifica-se a viabilidade técnica de obtenção de açaí em pó utilizando o processo de secagem em leito de jorro, em escala de laboratório.
ABSTRACT
Açai is a nutritious and energetic food that has demonstrated antioxidant, anti-inflammatory and cardioprotective activity. However, this fruit is a very perishable raw material, and studies for its preservation are necessary. The açai powder production is a way to increase its shelf life, as well as improve the transport, storage and handling. The most commonly used forms of açai powder production are lyophilization (freeze drying) and spray drying, however a technique that uses spouted bed dryer with inert particles could be singled out with a viable alternative, since it produces products with quality similar to spray drying at lower costs, besides having the advantage of allowing the drying thermally sensitive materials. This work aimed to investigate the process of açai drying in spouted bed, using inert particles, evaluating the operating parameters on the yield and quality of the product. The experiments were carried out in an experimental design. The variables operating studied were selected from a preliminary study that allowed a screening of the process using the Plackett-Burman planning (PPB). Then, a central composite design (PCCR) was conducted to evaluating the influence of drying air temperature (55 - 75 °C), drying airflow rate (1.2 - 1.3×Qjm) and maltodextrin concentration
(0.15 - 0.25 gmaltodextrina/gpasta AD) on the responses variables: powder production efficiency, final
moisture content and concentration of anthocyanins. For a confidence level of 95 %, the powder production efficiency was positively influenced by all the variables studied. The increase in temperature caused a significant reduction in the moisture content. The airflow rate was the parameter that most influenced the degradation of anthocyanins. The realization of the PCCR allowed the construction of a second order polynomial model for each of the responses studied. Applying response surface methodology and desirability function method, an optimal drying condition was found (temperature: 66 °C, airflow rate: 1.24×Qjm and maltodextrin
concentration: 0.205gmaltodextrina/gpasta AD) to simultaneously maximize all responses. Under these
conditions a porous and soluble powder, with excellent flowability, low moisture, high in anthocyanins and nutritional and energy potential was obtained. Therefore, from the studies conducted the technical viability of obtaining açai powder using the drying process in a spouted bed was verified, in lab scale.
Key words: Açai powder, Euterpe oleracea, Spouted bed, Drying of pulp fruits.
NOMENCLATURA
aw atividade de água, adimensional
Ca concentração de antocianinas totais, mg/100 g
I intermitência da alimentação de pasta
K índice de consistência, Pa.s
l path length, cm
mi massa inicial, g
mss massa de sólido seco, g
mpo massa de pó, g
mpasta massa de pasta, g
M concentração de maltodextrina, gmaltodextrina/gpastaAD
n índice de comportamento do fluido, adimensional
N número de experimentos
p probabilidade de significância
P pressão de atomização, psig
Pw pressão parcial da água no produto, Pa
Pv pressão de vapor da água, Pa
Q vazão do ar de secagem, Kg/min
Qjm Vazão de ar de jorro mínimo, Kg/min
T temperatura do ar de secagem, ºC
Ti1 Módulo da diferença entre a área da curva crescente 1 e a área da curva decrescente
Ti2 Módulo da diferença entre a área da curva decrescente e a área da curva crescente 2
Upasta teor de umidade da pasta, %
Ubs teor de umidade em base seca, %
Ubu teor de umidade em base úmida, %
Um teor de umidade na monocamada, %
Upo teor de umidade do pó, %
UR umidade relativa, %
ujm velocidade de jorro mínimo, m/s
Wad trabalho de adesão, (N/m)×10−3
W vazão de alimentação, mL/min
X1 temperatura do ar de secagem, ºC
X2 vazão do ar de secagem, Kg/min
X3 concentração de maltodextrina, gmaltodextrina gpasta AD
X4 vazão de alimentação, mL/min
X5 pressão de atomização, psig
X6 intermitência da atomização
Vp valores preditos
Ve valores experimentais
Letras gregas
γ tensão superficial, mN/m
ΔPM queda de pressão no valor máximo, Pa
ΔPs queda de pressão de jorro estável, Pa
Ε absorbância molar da antocianina majoritária
εL porosidade do leito estático
po
η eficiência da produção de pó, % θ ângulo de contato, o
µ viscosidade, Pa.s
µap viscosidade aparente, Pa.s
𝜇𝜇B viscosidade plástica de Bingham
ρab massa específica absoluta, g/cm3
ρb massa específica bulk, g/cm3
τ tensão de cisalhamento, Pa τo tensão inicial, Pa
Abreviaturas
Ab Absorbância
AP açaí puro (in natura)
AD açaí diluído com água destilada na proporção 2:1 (m/m)
AD15 açaí diluído e maltodextrina na proporção 85/15 (%), m/m
AD20 açaí diluído e maltodextrina na proporção 80/20 (%), m/m
AD25 açaí diluído e maltodextrina na proporção 75/25 (%), m/m
DF fator de diluição
DMR desvios relativos médios representa e representam os, respectivamente. GL graus de liberdade
IC índice de Carr
MW peso molecular da cianidina-3-glucosideo MRt material retido no leito
MSR metodologia de superfície resposta
PCCR planejamento composto central rotacional PEAD polietileno de alta densidade
PEBD polietileno de baixa densidade
PP Polipropileno
PPB planejamento Plackett-Burman
PS Poliestireno
QM média quadrática
SUMÁRIO
CAPITULO 1: INTRODUÇÃO ... 17
1.1 Objetivos ... 19
1.1.1 Objetivo geral ... 19
1.1.2 Objetivos específicos ... 19
CAPITULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21
2.1 Açaí ... 21
2.1.1 Composição química ... 23
2.1.2 Conservação do açaí ... 25
2.2 Secagem ... 28
2.2.1 Higroscopicidade ... 29
2.2.1.1 Conteúdo de umidade dos sólidos ... 29
2.2.1.2 Isotermas de sorção ... 30
2.2.2 Secagem de pastas ... 34
2.2.2.1 Secador de leito de jorro ... 35
2.2.2.1.1 Regimes fluidodinâmicos ... 36
2.2.2.1.2 Mecanismo fluidodinâmico ... 36
2.2.3 Secagem de pasta em leito de jorro utilizando partículas inertes ... 38
2.2.4 Reologia ... 44
2.2.4.1 Classificação reológica ... 44
CAPITULO 3: MATERIAIS E MÉTODOS ... 49
3.1 Materiais ... 49
3.1.1 Matéria-prima ... 49
3.1.2 Material utilizado para formulação das pastas ... 51
3.1.3 Material inerte ... 52
3.2 Descrição da unidade experimental ... 52
3.4 Caracterização físico-química da polpa de açaí... 55
3.4.1 pH ... 55
3.4.2 Sólidos solúveis (ºBrix) ... 55
3.4.3 Cinzas ... 55 3.4.4 Proteínas ... 55 3.4.5 Fibras ... 55 3.4.6 Lipídeos ... 56 3.4.7 Carboidratos totais ... 56 3.4.8 Valor energético ... 56 3.4.9 Antocianinas ... 56
3.5 Preparo e caracterização física das pastas ... 57
3.5.1 Concentração de sólidos ... 58
3.5.2 Massa específica ... 58
3.5.3 Tensão superficial ... 59
3.5.4 Estudo reológico ... 59
3.6 Caracterização das partículas inertes ... 59
3.6.1 Granulometria ... 59
3.6.2 Massa específica absoluta ... 60
3.6.3 Porosidade média do leito estático ... 60
3.6.4 TGA (análise termogravimétrica) ... 60
3.6.5 DSC (Differential Scanning Calorimetry) ... 60
3.7 Secagem de açaí em leito de jorro ... 61
3.7.1 Descrição dos procedimentos do estudo fluidodinâmico das partículas inertes ... 61
3.7.2 Descrição dos procedimentos dos ensaios de secagem de açaí em leito de jorro ... 61
3.7.3 Planejamento dos experimentos de secagem ... 63
3.7.3.1 Planejamento de Plackett-Burman ... 63
3.7.3.2 Planejamento composto central rotacional... 64
3.7.3.3 Determinação da condição ótima de secagem ... 65
3.8 Caracterização do açaí em pó ... 66
3.8.1 Morfologia das partículas ... 66
3.8.2 Diâmetro médio e distribuição de tamanho de pó ... 66
3.8.4 Solubilidade ... 67
3.8.5 Tempo de instantaneização ... 68
3.8.6 Isotermas de adsorção ... 68
CAPITULO 4: RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 69
4.1 Ensaios preliminares ... 69
4.2 Caracterização dos frutos e da polpa de açaí ... 73
4.3 Caracterização das pastas ... 74
4.3.1 Reologia ... 75
4.3.1.1 Determinação dos parâmetros reológicos ... 79
4.4 Caracterização das partículas inertes ... 81
4.4.1 Estudo fluidodinâmico ... 83
4.5 Planejamento Plackett-Burman ... 86
4.6 Planejamento Composto Central Rotacional ... 90
4.6.1 Análise estatística dos resultados ... 95
4.6.1.1 Análise dos efeitos das variáveis sobre a eficiência de produção de pó (ηpo). .... 97
4.6.1.2 Análise dos efeitos das variáveis sobre a umidade final do pó (Upo). ... 99
4.6.1.3 Análise dos efeitos das variáveis sobre a concentração de antocianinas (Ca). .. 100
4.6.2 Proposta de modelos polinomiais de segundo grau ... 101
4.6.2.1 Análise da qualidade dos modelos ... 102
4.6.3 Análise da função desejabilidade global ... 105
4.7 Caracterização do açaí em pó ... 107
4.7.1 Isotermas de adsorção ... 111
CAPITULO 5: CONCLUSÃO ... 117
CAPITULO 6: SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 119
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 120
APÊNDICE A ... 128
APÊNDICE B ... 132
INTRODUÇÃO
O açaí é alimento nutritivo, com alto valor energético, rico em fibras, proteínas, lipídeos e minerais. Sua polpa é amplamente consumida pela população da região Norte do Brasil, na forma in natura, ou utilizada para a elaboração de sucos, sorvetes, picolés, licores, geléias e sobremesas. Possui grande importância socioeconômica para a região amazônica, onde a extração da polpa de açaí garante o alimento e o retorno financeiro para diversas famílias ribeirinhas e de pequenos produtores. O potencial econômico do açaí está associado tanto ao fato de ser uma rica fonte de nutrição, como também ao fato de ter tido um aumento significativo do seu valor comercial para exportação, uma vez que seu consumo vem aumentando nas outras regiões brasileiras e no exterior.
O interesse crescente no consumo de açaí está associado à busca de uma nutrição a base de alimentos funcionais, que além de nutrir contribuem para a prevenção e controle de doenças. Recentemente, o açaí ficou conhecido internacionalmente como um "superalimento" e ganhou destaque entre os demais alimentos ricos em antioxidantes, devido a diversas pesquisas cientificas que vem comprovando a qualidade desse produto (ODENDAAL e SCHAUSS, 2014). Dentre as pesquisas realizadas algumas se destacam por apontarem diferentes benefícios associados ao seu consumo, em especial na saúde humana, como alta capacidade antioxidante (SCHRECKINGER et al., 2010; MERTENS-TALCOTT et al., 2008; SCHAUSS et al., 2006a), atividade anti-inflamatória (JENSEN et al., 2008; KANG et al., 2011), antiproliferativa (HOGAN et al., 2010), além de mostrarem o açaí como uma rica fonte de polifenóis bioativos que apresenta a capacidade de auxiliar na redução da proliferação de células leucêmicas (POZO-INSFRAN, PERCIVAL e TALCOTT, 2006). Algumas pesquisas ainda indicam o consumo de açaí para auxiliar no tratamento de doenças cardíacas (ROCHA et al., 2007) e de colesterol (SOUZA et al., 2010).
Contudo, o açaí é um alimento altamente perecível, não sendo possível sua conservação in natura, sendo observadas modificações na cor e no sabor, com apenas 12 horas, o que torna necessário estudos para a sua conservação.
Uma das formas de conservação do açaí é a sua transformação em pó, produzindo assim, um produto com baixa atividade de água, maior estabilidade e tempo de vida útil, além de ter seu peso e volume reduzidos significativamente, facilitando seu transporte e comercialização.
Na literatura os métodos mais utilizados para a secagem de polpa de açaí são liofilização (freeze drying) e secagem por atomização (spray drying). A liofilização produz um açaí em pó de qualidade (ODENDAAL e SCHAUSS, 2014), contudo é um método de secagem complexo e de custos elevados. A secagem por atomização tem sido indicada como viável para obtenção de açaí em pó, todavia estudos relatam que o alto teor de lipídeos da polpa causa problemas no processo. Tonon (2009) realizou a filtração previa da polpa de açaí para diminuir o teor de lipídeos e obteve resultados satisfatórios estudando o processo de secagem por atomização, mas é válido ressaltar que a filtração da polpa causa perdas que modificam o valor nutricional do produto.
Dentre os outros métodos de secagem de pastas, uma técnica que utiliza secador de leito de jorro com partículas inertes se destaca por produzir produtos de qualidade similar a secagem spray, possuindo amplas vantagens, como baixos custos de investimento, montagem e manutenção. Além de permitir a secagem de materiais termicamente sensíveis, como a polpa de açaí, devido à temperatura média das partículas serem mais baixas do que a temperatura média do ar de secagem. O processo consiste basicamente de um leito de partículas inertes que são recobertas pela pasta alimentada no interior do leito de jorro, produzindo um pó fino de baixa umidade, normalmente coletado por ciclones (FREIRE, FERREIRA e FREIRE, 2009; ROCHA e TARANTO, 2008).
A partir do trabalho de Medeiros (2001) a utilização dessa técnica para a secagem de polpa de frutas passou a ser uma alternativa interessante, uma vez que a autora fez um estudo sobre a influência da composição química de polpa de frutas modificadas no comportamento do leito de jorro durante a secagem, e obteve uma composição otimizada para a secagem de polpas de frutas, apontando os teores de açúcares e gorduras como os principais causadores de alterações no processo, sendo que os açucares têm efeitos negativos e a gordura efeitos positivos. Souza (2009) deu seguimento à pesquisa realizada por Medeiros (2001) e conseguiu obter bons rendimentos de um pó com baixa umidade e características nutritivas e funcionais, apontando então, que o uso dessa técnica é viável para a secagem de polpas de frutas. O que também foi observado por Fujita et al. (2013) que obteve um pó de qualidade rico em polifenóis, ácido ascórbico, com atividade antioxidante e antimicrobial.
De forma geral, a secagem de pastas em leito de jorro vem sendo amplamente estudada no Brasil nos últimos anos, sendo encontrados na literatura diversos trabalhos, utilizando diferentes pastas como: hidróxido de alumínio (REYES, 1993), sangue bovino (SPITZNER NETO, 1997; SPITZNER NETO, CUNHA e FREIRE, 2002), extratos de urucum
(SHUHAMA et al., 2003; MASSARANI, PASSOS e BARRETO, 1992), extratos de plantas medicinas (CORDEIRO e OLIVEIRA, 2005), licor negro (PASSOS et al., 2004), polpa de frutas tropicais (SOUZA, 2009; MEDEIROS, 2001), polpa de camu-camu (FUJITA et al., 2013), pasta de banana verde (BEZERRA et al., 2013), mistura de leite e amora (BRAGA e ROCHA, 2013), leite desnatado (BARRET e FANE, 1990; ALMEIDA, 2009; NASCIMENTO, 2013), leite de cabra (MEDEIROS, 2010); ovo homogeneizado (CUNHA, 1999; SPITZNER NETO, 2001; ALMEIDA, 2009; NASCIMENTO, 2013), lodo (ALMEIDA, 2009), glicerol (PATEL et al., 1986; PASSOS, MUJUMDAR e RAGHAVAN, 1990), dentre outras.
Apesar de existir uma ampla pesquisa sobre secagem de pasta nesse equipamento, ainda há grandes problemas a serem estudados, já que nesse processo a presença da pasta no leito pode causar instabilidade, aglomeração das partículas e até o colapso do jorro (NASCIMENTO, 2013). Portanto, ainda há muito a ser estudado sobre a secagem de pastas física e quimicamente complexas, como o açaí, que é uma polpa de fruta viscosa rico em lipídeos, fibras, proteínas e compostos termo sensíveis, ou seja, suscetível a mudanças em suas propriedades durante o processo de secagem.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo geral
Essa pesquisa tem como objetivo geral estudar a viabilidade de obtenção de açaí em pó em leito de jorro em escala de laboratório, e avaliar a influência das variáveis operacionais no desempenho do processo e na qualidade do produto.
1.1.2 Objetivos específicos
São objetivos específicos dessa pesquisa:
− Obter e caracterizar física e quimicamente a polpa de açaí;
− Realizar estudos para definir as partículas inertes a serem utilizadas na secagem; − Caracterizar as partículas inertes e realizar estudos para a definição dos
− Caracterizar a pasta através da determinação de concentração de sólidos, massa específica e tensão superficial;
− Realizar estudos de caracterização reológica da pasta;
− Realizar experimentos de secagem planejados de modo a quantificar as relações funcionais entre as respostas eficiência de produção de pó, teor de umidade final do pó e concentração de antocianinas, com as variáveis operacionais de entrada estatisticamente significativas;
− Selecionar a melhor condição de secagem de açaí em leito de jorro com base no planejamento estatístico, com intuito de obter bons rendimentos de um pó com baixa umidade e alto teor de antocianinas;
− Caracterizar fisico-quimicamente o açaí em pó obtido na condição ótima, por meio da determinação dos teores de proteínas, fibras, lipídeos, carboidratos e cinzas;
− Caracterizar o açaí em pó obtido na condição ótima, através das análises de morfologia, massa específica, diâmetro médio, distribuição de tamanho da partícula, microscopia eletrônica de varredura (MEV), índice de escoabilidade, tempo de instantaneização, solubilidade e comportamento higroscópico.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Açaí
O açaizeiro (Euterpe oleracea Mart.) é uma palmeira tipicamente tropical de ocorrência em toda a extensão do estuário amazônico, em especial no estado do Pará, onde há maior concentração de açaizais nativos. Apresenta grande importância socioeconômica para a região amazônica, uma vez que há possibilidade de aproveitamento integral dessa matéria-prima, já que dos seus frutos é extraído a polpa de açaí, suas sementes são utilizadas para artesanato e adubo orgânico, as fibras que revestem a semente são utilizadas em móveis, compensados e na indústria automobilística, e o açaizeiro ainda fornece um palmito de ótima qualidade (NASCIMENTO, 1993).
Figura 2.1: (a) açaizeiro, (b) frutos de açaí, (c) polpa de açaí. Fonte: Modificado de SCHRECKINGER et al., 2010.
O fruto do açaí é esférico, composto de um caroço levemente duro, envolvido em uma polpa de cor cinzenta, pouco espessa, oleaginosa, recoberta de uma epiderme de um roxo muito escuro quase preto. O peso médio dos frutos do açaí varia de 0,8 a 2,3 g e o tamanho médio oscila entre 10 e 19 mm de diâmetro, sendo que a parte comestível (casca e polpa) dos frutos representam cerca de 17 % do seu peso. Esses frutos são utilizados pela população nativa do norte do Brasil, para a produção do tradicional “vinho de açaí” ou simplesmente açaí, um produto com alto valor energético e potencial nutritivo, amplamente consumido na alimentação popular na forma in natura, ou na elaboração de sucos, picolés, sorvetes, licores, geleias e sobremesas (ODENDAAL e SCHAUSS, 2014; OLIVEIRA, CARVALHO e NASCIMENTO, 2000; PESCE, 1941).
A polpa de açaí é classificada comercialmente como: açaí grosso ou especial, quando a concentração de sólidos totais da polpa é igual ou maior que 14 %; açaí médio ou regular, quando a concentração de sólidos totais está entre 11 e 14 %; e açaí fino ou popular, quando a concentração de sólidos totais está entre 8 e 11 % (BEZERRA, 2007; EMBRAPA, 2006). É importante ressaltar que essa classificação é relevante por esclarecer a qual matéria-prima se refere os estudos reportados na literatura, todavia, nem todos os autores mencionam essa classificação dificultando a comparação de muitos dados já investigados, além de que em muitas pesquisas ainda são geradas dúvidas quanto ao termo 'açaí', uma vez que não se sabe ao certo se faz referência ao fruto ou à polpa.
O tipo de polpa mais consumido pela população nativa da região norte do Brasil é o açaí médio ou regular, e o estado que se destaca como o maior consumidor desse alimento é o Pará, onde a extração de açaí garante o alimento e o retorno financeiro para diversas famílias ribeirinhas e de pequenos produtores. Atualmente, o interesse por esse alimento é cada vez maior nas outras regiões brasileiras e no mundo todo. Isso se deve à preocupação crescente da população pela saúde e bem-estar, o que tem ocasionado um aumento expressivo na busca por alimentos funcionais, que além nutrir produzem efeitos benéficos à saúde. Nos Estados Unidos, por exemplo, o suco de açaí foi introduzido pela primeira vez no final de 1990, devido a rumores de suas propriedades antioxidantes, e no decorrer dos anos algumas empresas começaram a investir no açaí buscando educar os seus consumidores sobre a importância do consumo desse alimento e ainda sob o apelo de salvar a floresta amazônica. E assim o açaí foi se tornando notório e em meados de 2009 tornou-se um "superalimento", ganhando destaque entre os alimentos ricos em antioxidantes, em especial porque diversas pesquisas passaram a ser realizadas comprovando a qualidade desse produto (ODENDAAL e SCHAUSS, 2014).
Diferentes estudos relatam a alta capacidade antioxidante do açaí (SCHRECKINGER et al., 2010; HOGAN et al., 2010; KANG et al., 2010; MERTENS-TALCOTT et al., 2008; JENSEN et al., 2008; SCHAUSS et al., 2006a; HASSIMOTTO, GENOVESE e LAJOLO, 2005; ROGEZ, 2000) e alguns, inclusive, indicam o seu consumo para auxiliar no tratamento de doenças cardíacas (ROCHA et al., 2007) e de colesterol (SOUZA et al., 2010). Dentre as diversas pesquisas realizadas, algumas se destacam como os estudos realizados por Jensen et al (2008), Hogan et al. (2010) e Pozo-Insfran, Percival e Talcott (2006). Jensen et al. (2008) ao estudarem uma mistura de frutas, onde o açaí é o ingrediente predominante, observaram que além de uma alta capacidade antioxidante o suco ainda apresentava propriedade anti-inflamatória. Hogan et al. (2010) estudaram extratos rico em
antocianina do açaí e também observaram elevada atividade antioxidante, verificando ainda que os extratos possuíam atividade antiproliferativa contra células C-6 de glioma cerebral, uma característica que os autores consideraram ser única, uma vez que esta atividade antiproliferativa não é encontrada em outras frutas comuns ricas em antocianinas, como o mirtilo, morango, framboesa e amora. Pozo-Insfran, Percival e Talcott (2006) apontaram o açaí como uma rica fonte de polifenóis bioativos que apresenta a capacidade de auxiliar na redução da proliferação de células leucêmicas.
2.1.1 Composição química
A composição química da polpa de açaí pode ser observada na Tabela 2.1, onde se verifica que o açaí é um alimento nutritivo, levemente ácido, rico em lipídeos, fibras, proteínas e açúcares.
Tabela 2.1: Composição química da polpa de açaí.
Composição Carvalho et al.
(2010) Tonon (2009) Alexandre (2002) Rogez (2000) pH 4,89 - 5,2 5,23 Umidade (g/100g) - 85,96 86,01 - Matéria seca (g/100g) 11,47 - - 15,24 Proteínas (g/100g) 8,76 10,20 10,69 10,05 Lipídeos (g/100g) 41,02 46,49 48,24 52,64 Açúcares totais (g/100g) - 23,42 5,2 2,96 Fibras (g/100g) 17,11 16,73 31,67 25,22 Cinzas(g/100g) 3,79 3,16 3,04 3,09
O alto percentual de lipídeos da polpa de açaí, torna esse alimento altamente calórico, contudo, é importante ressaltar que o óleo do açaí é rico em ácidos graxos mono e poliinsaturados cuja qualidade pode ser comparada aos óleos de oliva e de abacate, além de que apresenta altos valores de α-tocoferol, podendo inclusive ser considerado como uma excelente fonte desse elemento (ROGEZ, 2000).
A composição fitoquímica do açaí tem sido muito estudada, e está bem caracterizada nos estudos realizados por Pozo-Insfran, Brenes e Talcott (2004) e Schauss et al., 2006b. O açaí apresenta uma rica variedade de ácidos fenólicos, antocianinas, proantocianidinas e flavonoides (SCHRECKINGER et al., 2010). Dentre estes componentes as antocianinas se
destacam, porque além das propriedades funcionais que agregam nesse alimento, ainda fazem do açaí uma fonte natural desse pigmento, o que pode contribuir para a diminuição do uso de pigmentos sintéticos.
As antocianinas têm sido muito usadas nas indústrias de alimentos e cosméticos como corantes naturais, devido às suas cores atrativas, solubilidade em água, efeitos benéficos à saúde, além de não apresentarem efeitos tóxicos como alguns corantes sintéticos.
As principais antocianinas encontradas no açaí são: cianidina-3-O-rutinosídeo e cianidina-O-glucósido (SCHRECKINGER et al., 2010, GALLORI et al., 2004, ROGEZ, 2000), cujas estruturas químicas podem ser observadas na Figura 2.2.
Figura 2.2: Estruturas químicas das antocianinas detectadas no açaí. Fonte: Modificado de GALLORI et al., 2004.
As antocianinas são pigmentos naturais pertencentes ao grupo dos flavonoides, compreendem o maior grupo de pigmentos do reino vegetal. São responsáveis por conferir a coloração vermelha, violeta e azul, de muitos tipos de frutas, vegetais, cereais e flores. São solúveis em água e altamente instáveis em temperaturas elevadas.
A análise química das antocianinas está muito bem fundamentada na literatura (FRANCIS, 1999; MAZZA e MINIATI, 1993), sendo que na natureza há mais de 300 tipos de antocianinas que já foram identificadas.
A estabilidade das antocianinas é influenciada pelos efeitos da sua concentração, da luz, da temperatura, atividade de água, copigmentação inter e intramolecular e pelas reações que podem ocorrer com outros alimentos. Apresentam ótima estabilidade quando estão presentes em altas concentrações, ausência de luz, baixas temperaturas e atividades de água (WROLSTAD, 2000).
2.1.2 Conservação do açaí
Estudos de conservação do açaí são necessários, devido esse alimento ser altamente perecível, não sendo possível sua conservação in natura, apresentando modificações na cor e no sabor, em apenas 12 horas, já que sua cor passa de violácea para marrom, e seu sabor de suave e cremoso, para azedo e rançoso (ROGEZ, 2000).
Segundo Rogez (2000), a deterioração do açaí ocorre, provavelmente, devido à oxidação das antocianinas e da oxidação enzimática das suas matérias graxas.
Souza et al. (2006) apontam que uns dos principais fatores responsáveis pela rápida deterioração do açaí são possíveis contaminações durante sua manipulação na sua cadeia produtiva, e sugerem que para a erradicação dos microrganismos é necessária a pasteurização e fervura prévia, contudo, os autores ressaltam que o tempo de exposição da matéria prima ao calor influencia negativamente nas suas características sensoriais.
Com intuito de prolongar a vida útil do açaí, diversas formas de conservação foram estudadas, e a produção de açaí em pó e em polpa congelada são as mais usuais, sendo que no mercado nacional a utilização da polpa congelada é a mais comum. No entanto, a produção de açaí em pó é uma alternativa interessante que deve ser considerada, já que a baixa atividade de água dos produtos em pó, gera melhorarias na sua conservação e tempo de vida útil, além de facilitar o seu transporte, armazenamento e manuseio (ROGEZ, 2000; TONON, 2009).
Uma das formas de obter açaí em pó mais discutidas na literatura é a liofilização. De acordo com Odendaal e Schauss (2014) este método é aconselhável para conservar as propriedades nutricionais e os bioativos desse alimento, uma vez que o açaí é uma fruta tropical vulnerável a rápida degradação e contaminação microbiana. O açaí em pó liofilizado já vem sendo comercializado, em especial nos Estados Unidos, e sua qualidade está bem fundamentada em Kang et al. (2011), Kang et al. (2010); Menezes, Torres e Srur (2008); Schauss et al. (2006a; b). A composição química do açaí em pó liofilizado pode ser observada na Tabela 2.2, onde pode ser verificado que este é um produto energético, com altos teores de lipídeos e carboidratos.
Tabela 2.2: Composição química do açaí em pó liofilizado. Composição Quantidade Valor energético 533,9 Umidade (g/100 g) 3,4 Lipídeos (g/100 g) 32,5 Carboidratos (g/100 g) 52,2 Fibras dietéticas (g/100 g) 44,2 Proteínas (g/100 g) 8,1 Cinzas (g/100 g) 3,8 Antocianinas totais (mg/100 g) 319
Fonte: SCHAUSS et al., 2006b.
Outro método usual de produção de açaí em pó é a secagem por atomização (spray
drying), que foi primeiramente estudado por Melo et al. (1988). Em 1999 a empresa Amazon Dry, em Belém, iniciou a produção de açaí em pó por spray drying, contudo a empresa não teve
êxito devido a problemas de alterações do produto no decorrer da sua armazenagem (Rogez, 2000).
Pesquisas apontaram que o alto teor de lipídeos da polpa de açaí causam problemas a esse processo, que foi estudado com sucesso por Tonon (2009) que realizou a filtração prévia da polpa de açaí para diminuir o teor de lipídeos e evitar os problemas relatados nas pesquisas anteriores. Tonon (2009) considerou os seus resultados satisfatórios uma vez que obteve um pó rico em antocianinas e que pode ser usado para sucos e como corante em alimentos (iogurtes, bolos, bebidas, sorvete). Contudo, é válido ressaltar que a filtração prévia da polpa de açaí provoca alterações na qualidade nutricional do produto, já que o produto filtrado não apresentou presença de fibras além de ter seu conteúdo lipídico diminuído de 46,49 %bs para 6,92 %bs em relação à polpa in natura (TONON, 2009).
Na Tabela 2.3 consta a caracterização do açaí em pó produzido por Tonon (2009) e na Figura 2.3 pode ser observado imagens dos pós obtidos pela autora utilizando diferentes concentrações de maltodextrina, um aditivo que foi indicado para obtenção de um açaí em pó com alta solubilidade, baixa viscosidade e ausência de sabor.
Odendaal e Schauss (2014) reconhecem a viabilidade de obtenção do açaí em pó por spray drying, utilizando maltodextrina para manter a estabilidade, contudo consideram esse método questionável em termos de preservação dos bioativos, uma vez que esse tipo de secagem utiliza altas taxas de calor, o que pode causar degradação e reduzir a capacidade antioxidante e nutricional do açaí.
Tabela 2.3: Açaí em pó produzido em spray dryer com maltodextrina 10DE. Composição Quantidade Umidade (%) 2,57 Atividade de água 0,229 Densidade aparente (g/cm3) 0,390 Densidade absoluta (g/cm3) 1,531 Porosidade (%) 74,50 Solubilidade (%) 94,44
Tempo de molhamento (min) 8,61
Diâmetro médio D[4,3] (µm) 10,94
Antocianinas* (mg/100 g) 215,90
*valores expressos em cianidina-3-glicosídeo. Fonte: TONON, 2009.
Figura 2.3: Açaí em pó produzido em spray dryer com concentração de maltodextrina de 10% (a), 20% (b) e 30% (c).
Fonte: TONON, 2009.
A maltodextrina é muito utilizada para a obtenção de frutas em pó, por produzir produtos com baixa higroscopicidade, maior estabilidade a um preço acessível. Por definição as maltodextrinas são hidrolisados de amido que consistem em unidades de α-D-glicose ligadas principalmente por ligações glicosídicas (1→4) e apresentam uma fórmula geral igual a [(C6H10O5)nH2O]. São geralmente descritas por sua dextrose equivalente (DE), que é uma
medida do inverso do número de unidades de α -D-glicose anidro, e está ligada ao seu grau de polimerização (DP), de forma que DE = 100/DP. Assim, a especificidade das propriedades das maltodextrinas está ligada ao DE e ao DP, que variam de acordo com o grau de hidrólise e o tratamento enzimático. As maltodextrinas apresentam uma ampla distribuição de massa molecular entre polissacarídeos e oligossacarídeos e estão disponíveis comercialmente, na forma de um pó branco ou de soluções concentradas, e que ao contrário de amidos naturais, são solúveis em água fria. (TONON, 2009).
2.2 Secagem
A secagem é uma das operações unitárias mais antigas utilizadas pelo homem na conservação de alimentos. Pode ser encontrada nos mais diversos tipos de processos usados em indústrias agrícolas, alimentícias, farmacêuticas, cerâmicas, químicas, de papel e celulose, mineral e de polímeros.
A secagem visa à remoção de água (ou qualquer outro líquido), de um material úmido, na forma de vapor, para uma fase gasosa insaturada, através de um mecanismo de vaporização térmica, numa temperatura inferior à de ebulição. O material úmido pode estar no estado sólido ou líquido, mas o produto final sempre será sólido (VAN’T LAND, 1991; OKADA et al., 1987; MUJUMDAR, 1987).
Para um produto ser submetido à secagem, a condição necessária e suficiente é que a pressão parcial do vapor d’água sobre a superfície do produto seja maior do que a pressão parcial do vapor d’água no ar; se ambas forem iguais, não há secagem, e sim, equilíbrio higroscópico entre o produto e o ar. E se a pressão parcial do vapor d’água do meio for maior do que a da superfície do produto ocorrerá a adsorção de umidade pelo produto, até que o equilíbrio seja atingido. Segundo Mujumdar (1987), dois processos ocorrem simultaneamente na secagem:
1. Transferência de energia (calor) das redondezas (ambiente) para evaporar a umidade superficial do material;
2. Transferência interna de umidade para a superfície do sólido e subsequente evaporação, devido ao processo 1.
No Processo 1, a remoção de umidade, como vapor, da superfície do material depende de condições externas, como temperatura, umidade e vazão do ar, superfície exposta à secagem e pressão. No Processo 2, a movimentação interna de umidade (dentro do sólido) é função da natureza física do sólido, da temperatura e do seu conteúdo de umidade.
Uma das principais finalidades da secagem é manter a qualidade de um produto, buscando a conservação de suas propriedades físico-químicas, pelo abaixamento da concentração de água para teores em que não exerça papel biológico, inibindo a ação de agentes de deterioração, como microrganismos.
A secagem contribui ainda para o transporte e armazenamento dos produtos, devido à redução de peso e volume. Em alguns processos a secagem também tem a vantagem de promover o enriquecimento de substâncias que agregam valor ao produto seco.
2.2.1 Higroscopicidade
2.2.1.1 Conteúdo de umidade dos sólidos
Os materiais úmidos submetidos à secagem são constituídos por uma matriz sólida seca e uma quantidade de umidade, presente usualmente no estado líquido. Em geral podem apresentar diferentes propriedades físicas, químicas, bioquímicas e mecânicas, que são dependentes da estrutura e composição química da matriz sólida, e dos estados em que a água se encontra nos materiais (STRUMILLO e KUDRA, 1986).
A quantidade de umidade contida em um material úmido pode ser descrita em termos da massa total (base úmida) ou em termos da massa de sólido seco (base seca), e podem ser estimadas pelas Equações 2.1 e 2.2, respectivamente:
− = ss ss i bs m m m U (2.1) − = i ss i bu m m m U (2.2)
em que Ubs representa o teor de umidade em base seca, Ubu representa o teor de umidade em
base úmida, mi representa a variação média da massa de material úmido durante o processo e
mss é a massa de sólido seco.
A determinação da quantidade de umidade contida em um material é um parâmetro de grande importância e indispensável no que se refere ao acompanhamento das mudanças ocorridas durante a realização da secagem. Sendo importante destacar que a umidade nos sólidos pode estar presente no material úmido de diferentes formas (STRUMILLO e KUDRA, 1986):
Umidade superficial: ocorre quando o líquido existe como um filme externo sobre o material devido aos efeitos da tensão superficial.
Umidade livre, não ligada ou capilar: é aquela que pode ser eliminada em uma determinada condição de processo, sendo que quando o material é higroscópico, é a umidade em excesso em relação à umidade de equilíbrio; e em material não higroscópico representa todo o conteúdo de umidade interna.
Umidade ligada, higroscópica ou dissolvida: acontece quando o líquido exerce uma pressão de vapor menor que a do líquido puro em uma determinada temperatura. Esta umidade pode estar presente em diferentes condições: na forma líquida retida em microcapilares, em solução contida nas paredes celulares e adsorvida química ou fisicamente na superfície do material e necessita de elevados níveis de temperatura para sua remoção.
2.2.1.2 Isotermas de sorção
As isotermas de sorção descrevem a relação entre o conteúdo de umidade de equilíbrio e a atividade de água (aw) a uma temperatura constante (FENNEMA, 1993). Essa
relação depende de diversos fatores, tais como a estrutura física da superfície do material, composição química e afinidade com a água, sendo assim cada produto apresenta características distintas de sorção de umidade. A atividade de água em um material úmido é expressa como a razão entre a fugacidade da água na mistura (fw) e a fugacidade da água pura no estado padrão
(f0), ambas à mesma temperatura, ou como a razão entre a pressão parcial da água, na fase
vapor, sobre a amostra e a pressão de vapor da água pura, à mesma temperatura, e também é uma função da umidade relativa do ambiente, como pode ser observado na Equação 2.3, onde
Pw é a pressão parcial da água no produto, Pv é a pressão de vapor da água na mesma
temperatura e UR é a umidade relativa (%).
100 0 UR P P f f a v w w w = = = (2.3)
O conhecimento e entendimento das isotermas de sorção são importantes na ciência e tecnologia de alimentos para prever a qualidade, estabilidade, tempo de vida útil e calcular as mudanças de umidade que ocorrem durante o seu armazenamento, além de serem importantes na análise e montagem de vários processos alimentares, tais como preservação, secagem, embalagem e mistura.
A forma das isotermas de sorção para a maioria dos alimentos é sigmoidal. Na Figura 2.4 estão representadas as curvas características das isotermas de sorção, que são classificadas nas seguintes formas principais, segundo Brunauer, Emmet e Teller (1938):
Figura 2.4: Formas características das isotermas de sorção.
Fonte: Modificado de BRUNAUER, EMMETT e TELLER (1938).
− Tipo I: Isoterma tipo Langmuir, caracteriza uma adsorção em camada monomolecular. − Tipo II: Isoterma característica de formação de múltiplas camadas de moléculas adsorvidas
sobre a superfície do sólido. Frequentemente encontrada em sólidos não porosos ou com poros maiores que microporos, são típicas para produtos alimentícios.
− Tipo III: Embora similar ao tipo II, são raramente observadas em sólidos não porosos, seu formato sugere também adsorção em camada polimoleculares.
− Tipo IV e Tipo V: Refletem a condensação capilar, quando a pressão de saturação do vapor do adsorbato é atingida.
Em produtos alimentícios as isotermas de sorção geralmente podem ser divididas em três regiões. A primeira região corresponde aos valores de atividade de água entre 0 e 0,2, e representa a adsorção de água monomolecular; a segunda região com atividade de água entre 0,2 e 0,6, representa a adsorção nas demais camadas após a monocamada; e a terceira região, que corresponde a valores de atividade de água acima de 0,6, representa a região onde a água é inicialmente condensada nos poros do material, e em seguida na superfície, causando a dissolução de materiais solúveis presentes (LABUZA, 1968; LOMAURO, BAKSHI e LABUZA, 1985a).
As isotermas de sorção podem ser obtidas em duas direções: durante a hidratação do material (adsorção) ou durante a sua secagem (dessorção). A adsorção ocorre quando um
material seco é submetido a várias atmosferas, aumentando a umidade relativa e medindo o aumento de peso devido ao ganho de água.
Na dessorção, o material inicialmente úmido é colocado sob as mesmas condições ambientais utilizadas na adsorção, sendo medida a perda de peso, devido à saída de água.
A diferença entre o comportamento das isotermas de adsorção e dessorção é denominada histerese, e esta pode ocorrer devido a diversos fatores, tais como condensação capilar, mudanças na estrutura física do material, impurezas na superfície e mudança de fase.
Diversas teorias têm sido formuladas para explicar o fenômeno da histerese. Uma dessas teorias, desenvolvida por Labuza (1968), descreve este comportamento supondo os capilares como corpos largos com prolongamento estreito do tipo mostrado na Figura 2.5 (teoria do tinteiro). Na adsorção, o capilar não se enche completamente até que uma atividade correspondente ao maior raio (r2), seja alcançada. Durante a dessorção, o menor raio (r1), controla o esvaziamento do poro, de modo que a atividade d’água é reduzida consideravelmente. Segundo Labuza (1968), o arco gerado pelo efeito da histerese, normalmente termina na monocamada, mas algumas vezes ele se prolonga até regiões de aw
inferiores a monocamada, existindo casos no qual ele chega a atingir aw igual a zero.
Figura 2.5: Teoria do tinteiro para a histerese. Fonte: LABUZA (1968).
Com o intuito de prever o comportamento de sorção, autores propuseram diferentes modelos (teóricos, semi-empíricos e empíricos) de ajustes de isotermas. Estes modelos são úteis no conhecimento das características dos produtos. Em sua maioria são modelos empíricos, alguns destes modelos preveem propriedades termodinâmicas importantes como a energia de ligação de água que é traduzida na energia de adsorção. A outra importante consideração é acerca dos valores de monocamada molecular de água, que indicam a relação com as reações químicas que determinam a deterioração dos materiais biológicos, através das áreas expostas da matriz sólida.
Os modelos de BET (Brunauer-Emmett-Teller) e GAB (Guggenheim-Anderson-De Boer) costumam ser os mais utilizados, uma vez que apresentam algum significado físico quando comparado aos modelos empíricos. Na Tabela 2.4 consta uma relação com diferentes modelos da literatura. Dentre os modelos propostos para descrever matematicamente a relação entre o conteúdo de umidade de equilíbrio com a atividade de água em produtos alimentícios, destaca-se o modelo tri-paramétrico de GAB, que pode ser observado na Equação 2.6, onde Ueq
representa o conteúdo de umidade de equilíbrio do material em base seca, Um, C e K são constantes características, Um corresponde ao teor de umidade na monocamada e C e K estão relacionadas a efeitos térmico de sorção na monocamada e na multicamada, respectivamente.
Tabela 2.4: Modelos matemáticos para o ajuste de isotermas de sorção de alimentos.
Modelo Equação LANGMUIR w w m eq Ca Ca U U + = 1 (2.4) BET ] a C a ) (C )[ a ( ] a n )a (n )[ a C (X U BET BET BET n w BET w BET w n w BET n w BET w BET m eq 1 1 1 1 1 1 1 + + − − + − + + − = (2.5) GAB )] a k C a k )( a k [( a k C U U w GAB GAB w GAB w GAB w GAB GAB m eq = − − + 1 1 (2.6) HALSEY − = B eq w U A a exp (2.7) OSWIN B w w eq a a A U − = 1 (2.8) HENDERSON -a [ (k U nH ) eq H w = exp − 1 (2.9) PELEG Ueq =k1.anw1+k2.anw2 (2.10)
Ueq: umidade de equilíbrio (g água/g sólidos secos); Um: umidade na monocamada molecular (g água/g sólidos
secos); aw: atividade de água (adimensional); nBET: número de camadas moleculares; CBET, CGAB, kGAB, A, B, C, kH,
2.2.2 Secagem de pastas
Uma pasta pode ser considerada, reologicamente, como um sistema sólido-liquido constituído de partículas microscópicas ou coloidais dispersas em um meio liquido, e estas podem ser classificadas como emulsões, suspensões, soluções, ou materiais pastosos duros ou fofos (FREIRE, FERREIRA e FREIRE, 2009).
Diferentes tipos de secadores podem ser utilizados na secagem de pastas, sendo que dependendo das características do binômio pasta/produto final, pode-se optar por secar em
spray dryer, secador de bandejas, secador de esteira, tambor rotativo, leito fluidizado, e leito de
jorro com todas as suas configurações possíveis (FREIRE, FERREIRA e FREIRE, 2009; STRUMILLO e KUDRA, 1986).
A escolha de um método adequado de secagem é complexa, mas necessária para a obtenção de um produto seco de boa qualidade, já que podem ocorrer mudanças significativas na cor, textura, densidade e porosidade do produto durante o processo de secagem, além de que pode haver a redução de nutrientes e das propriedades organolépticas do material, o que é indesejável (KROKIDA e MAROULIS, 2000; FARIA, 1998).
Krokida e Maroulis (2000) indicam que para a escolha de um método adequado de secagem é importante ter duas grandes metas: estudar a engenharia da secagem e as propriedades associadas à qualidade do produto. As propriedades associadas à engenharia são as relacionadas ao processo em si, aos equipamentos, aumento da eficiência, e controle das variáveis operacionais. E as propriedades associadas à qualidade do produto são: propriedades estruturais (densidade, porosidade, tamanhos dos poros e volume especifico), ópticas (cor e aparência), texturais, térmicas, sensoriais (aroma e sabor), nutricionais e propriedades de reidratação.
A secagem em leito de jorro com partículas inertes é uma técnica que vem sendo amplamente estudada no Brasil, sendo considerada uma boa alternativa ao secador spray, por produzir produtos de qualidade similar, a custos de investimento inferiores, além de apresentar a vantagem de permitir a secagem de materiais termicamente sensíveis, como o açaí, devido a temperatura média das partículas serem mais baixa do que a do ar de secagem (FREIRE, FERREIRA e FREIRE, 2009; MEDEIROS, 2001).
2.2.2.1 Secador de leito de jorro
O leito de jorro é um sistema de contato gás-sólido desenvolvido por Mathur e Gishler em 1954, como uma solução modificada do leito fluidizado, visando o tratamento de partículas maiores, de 1 a 5 mm, ou seja, para partículas que apresentam difícil fluidização (FREIRE e SILVEIRA, 2009; ROCHA e TARANTO, 2008).
O leito de jorro é caracterizado por uma elevada taxa de circulação de sólidos, com uma mistura intensa de partículas, cujo movimento cíclico permite alcançar um elevado grau de contato entre fluido e a partícula, e consequentemente, altas taxas de transferência de calor e massa (MATHUR e EPSTEIN, 1974).
O equipamento consiste em uma coluna ou recipiente contendo partículas sólidas, em que ocorre a injeção ascendente de um fluido verticalmente pela base, através de um orifício cujo diâmetro é reduzido em relação ao diâmetro do leito. Quando a velocidade do ar é suficientemente elevada, as partículas são carregas pneumaticamente de forma ascendente por uma região denominada de jorro, até a região de fonte, onde desaceleram caindo na região anular, entre o jorro e a parede do leito, e lentamente são levadas por ação gravitacional até a região de fluxo ar central (jorro), desenvolvendo um movimento cíclico e contínuo (MATHUR e EPSTEIN, 1974).
Essas três regiões (jorro, ânulo e fonte) podem ser facilmente identificadas quando o leito de jorro opera em regime estável. Na Figura 2.6 pode ser observado as regiões de movimento dos sólidos e a estrutura do equipamento.
Figura 2.6: Esquema de um leito de jorro. Fonte: ROCHA e TARANTO, 2008.
2.2.2.1.1 Regimes fluidodinâmicos
A obtenção dos regimes fluidodinâmicos está relacionada principalmente com a geometria do leito e propriedades físico-químicas do fluido e das partículas. Na Figura 2.7 consta uma ilustração dos regimes fluidodinâmicos do leito de jorro.
Figura 2.7: Regimes fluidodinâmicos de um leito de jorro. Fonte: Modificado de MATHUR e EPSTEIN, 1974.
Os regimes fluidodinâmicos podem ser observados com o sucessivo aumento da velocidade do fluido, para uma dada configuração do equipamento e condição das partículas. Em regime de leito fixo, a velocidade do fluido é insuficiente para vencer a pressão estática imposta pela camada de partículas ou mesmo movimentá-las, desta forma, o fluido apenas atravessa os espaços vazios entre as partículas. O regime de jorro surge quando a velocidade do fluido ultrapassa a velocidade de mínimo jorro, então, ocorre o movimento cíclico das partículas. Se essa velocidade continuar aumentando, e ultrapassar a velocidade de jorro estável, há o aparecimento de bolhas no leito, característico do leito borbulhante, que pode ser considerado um leito fluidizado de má qualidade. E em velocidades muito elevadas pode aparecer o regime “slugging”, onde ocorre um movimento lento das partículas no leito, o que normalmente é indesejável. (MATHUR e EPSTEIN, 1974).
2.2.2.1.2 Mecanismo fluidodinâmico
O mecanismo de transição dos regimes fluidodinâmicos pode ser descrito por meio do gráfico da curva de pressão versus velocidade do gás, de acordo com a Figura 2.8.
Figura 2.8: Curvas típicas de queda de pressão em função da velocidade do fluido. Fonte: MATHUR e EPSTEIN, 1974.
Conforme descrito por Mathur e Epstein (1974), na região A-B, o aumento da velocidade do gás provoca um aumento constante da queda de pressão. Nesta etapa as partículas permanecem em leito fixo devido à pressão oferecida pela passagem do gás ser inferior à pressão estática gerada pelas partículas. Logo, o gás atravessa o leito sem movimentar as partículas. Quando a velocidade do gás se torna suficientemente elevada para empurrar as partículas, observa-se visualmente a formação de uma cavidade acima da região central que se alonga com o acréscimo da velocidade, compactando as partículas, aumentando a resistência à passagem do gás, sendo neste ponto, portanto, que a queda de pressão atinge o valor máximo (ΔPM). Com o aumento da velocidade do gás a partir do ponto B, as partículas entram em
movimento, com o princípio de jorro, a camada sólida acima da fonte torna-se menor à medida que se aumenta a vazão de gás, ocasionando um decréscimo na queda de pressão (B-C). Com um pequeno aumento na velocidade do gás, após o ponto C, conhecido como jorro incipiente, a concentração da camada de sólidos decresce rapidamente, a pressão cai até o ponto D, queda de pressão de jorro estável (ΔPs), quando o regime de jorro estável se instala. A partir deste
ponto, um aumento na vazão do gás resulta em um aumento na altura da fonte, porém, não apresenta mudança significativa na queda de pressão do leito. A transição dos pontos C-D é muito instável e de difícil percepção, devido a este fato, realiza-se o procedimento inverso. Diminuindo a vazão do gás o ponto C’ é alcançado, e neste ponto a velocidade do gás é a
mínima necessária para manter o jorro (ujm). A partir deste ponto, uma pequena redução na
velocidade do ar causa o colapso do jorro, ponto B’, e maiores reduções de vazão de gás a partir deste ponto, mantém a curva abaixo da obtida pelo aumento de vazão, fato que se deve à energia utilizada para o gás penetrar nos sólidos não ser mais requerida durante o colapso do jorro. A queda de pressão de jorro estável (ΔPs) e a velocidade de jorro mínimo (ujm) são parâmetros de
interesse prático, pois estão relacionados com o consumo energético, eficiência e otimização do processo.
2.2.3 Secagem de pasta em leito de jorro utilizando partículas inertes
A secagem de pastas utilizando partículas inertes é uma técnica que foi desenvolvida na antiga União Soviética, e foi aplicada industrialmente para a secagem de produtos químicos e biológicos. Essa técnica é adequada para a secagem de uma grande variedade de pastas e suspensões, produzindo pós finos e homogêneos, que podem competir com os pós obtidos em spray drying (ROCHA e TARANTO, 2008).
Nesse processo, a pasta é inserida no leito de jorro de forma contínua ou em batelada, e recobre as partículas inertes (contidas no leito), de um modo praticamente uniforme, formando um filme. Após a aderência da pasta sobre a superfície dos inertes, o filme passa a ser seco, por condução, devido ao próprio contato com as partículas aquecidas, e por convecção, pela passagem ascendente do fluido (Figura 2.9).
À medida que o filme seca, o mesmo vai se tornando quebradiço e as colisões das partículas entre si e com a parede do equipamento promovem energia suficiente para fraturar o filme que se solta e é carregado pelo ar, sendo coletado normalmente por ciclones. Na Figura 2.10 é apresentado um esquema do mecanismo idealizado desse processo.
Para estudar a eficiência desse processo, segundo Rocha e Taranto (2008), é importante avaliar a eficiência da produção de pó (η ), definida na Equação 2.11 como a razão po entre a massa de pó, em base seca [mpo (1-Upo)] recolhida no ciclone e a massa de sólido
alimentada no leito [mpasta (1-Upasta)].
(
)
(
pasta)
pasta po po po U m U m η − × × − × = 1 100 1 (2.11)Figura 2.9: Esquema do modo de transferência de calor. Fonte: Modificado de KUDRA e MUJUMDAR, 2009.
Figura 2.10: Mecanismo idealizado do processo de secagem utilizando partículas inertes. Fonte: Modificado de KUDRA e MUJUMDAR, 2009.
Na Tabela 2.5 constam alguns dos principais estudos sobre a secagem de pastas em leito de jorro, utilizando diferentes tipos de inertes. Os principais tipos de inertes utilizados na secagem de pasta em leito de jorro são: polietileno de alta densidade (PEAD), de baixa densidade (PEBD), polipropileno (PP), poliestireno (PS), Sangel®, Teflon, vidro, e sílica, sendo importante destacar que as partículas devem estar dentro da região de jorro (sólido do tipo D) indicada por Geldart (1986) e que o efeito do desgaste (devido ao movimento intenso das partículas) e da aplicação de calor (altas temperaturas de secagem) durante o processo de
secagem pode ocasionar a contaminação do pó produzido, o que é indesejável, principalmente se o inerte for tóxico.
Dentre as pesquisas de secagem de polpa de frutas em leito de jorro citadas na Tabela 2.5, destaca-se o trabalho de Medeiros (2001) que estudou a influência da composição química das pastas no desempenho do processo e observou que a presença de altas concentrações de açucares causam problemas de instabilidade no jorro e prejudicam o processo, enquanto que a presença de lipídeos, pectina e amido favorecem a produção de pó e melhoram o desempenho do processo. Souza (2009) realizou uma pesquisa com base nos estudos realizados por Medeiros (2001), avaliando a influência da presença de lipídeos, amido e pectina na secagem de polpa de frutas, e conseguiu obter bons rendimentos, verificando que a taxa de produção de pó é praticamente constante, além do pó produzido apresentar baixa umidade (4,4 a 7,5 %) e características nutritivas e funcionais.
Fujita et al. (2013) estudaram o impacto da secagem em leito de jorro sobre os compostos bioativos, atividade antioxidante e antimicrobial da polpa de camu-camu, comparando essa técnica de secagem com a liofilização, e constataram uma maior degradação do pó quando se utiliza a secagem em leito de jorro, contudo, os autores ressaltaram que apesar das reduções observadas o produto obtido continua sendo uma rica fonte de vitamina C, compostos fenólicos, proantocianinas e com elevada atividade antioxidante e antimicrobial. Fujita et al. (2013) observaram ainda que o uso de maltodextrina para auxiliar na obtenção do pó contribuiu para a proteção dos compostos bioativos da polpa, em especial as proantocianinas.
A qualidade do pó produzido na secagem de polpa de frutas em leito de jorro também foi analisada por Bezerra et al. (2013) que estudaram a composição química da farinha de banana verde com casca e sem casca, obtida a partir dessa técnica de secagem, os resultados obtidos mostraram que as farinhas produzidas, em especial a com casca, são boas fontes de fibra e amido resistente.
A otimização da produção do pó em função das variáveis operacionais foi estudada por Braga e Rocha (2013) que obtiveram os maiores rendimentos (aproximadamente 60%) quando realizaram o gotejamento da pasta (mistura de amora e leite) e utilizaram o poliestireno como partículas inertes.
Tabela 2.5: Pesquisas sobre secagem de pasta em leito de jorro com partículas inertes
Autor (es) /Ano Pasta Inerte
Patel, et al. (1986) Glicerol e água destilada Esferas de vidro
Passos, et al. (1990) Glicerol Esferas de vidro
Reyes (1993) Hidróxido de alumínio e água
destilada Polietileno
Scheider e Bridgwater (1993) Glicerol e água destilada Esferas de vidro Spitzner Neto (1997) Sangue bovino e água destilada Esferas de vidro Cunha (1999) Ovo homogeneizado, goma xantana Esferas de vidro Passos e Mujumdar (2000) Glicerol Pellets de plásticos Medeiros (2001) Polpa de manga in natura e
modificada
Polietileno de alta densidade
Shuhama, et al. (2003) Extrato de urucum Esferas de vidro
Passos, et al. (2004) Liquor negro Polipropileno
Bacelos, et al. (2005) Glicerol e Ovo homogeneizado Esferas de vidro Cordeiro e Oliveira (2005) Extrato de folhas Maytenus ilicifolia Teflon
Almeida (2009) Água destilada, lodo de esgoto, leite desnatado, ovo de galinha integral e homogeneizado e carbonato de cálcio
Esferas de vidro
Souza (2009) Polpas de frutas modificadas:
Manga, Umbu e seriguela Polietileno
Medeiros (2010) Leite de cabra Polietileno e
Polipropileno Dotto, Souza e Pinto (2011) Pasta de quitosana Polietileno Fujita et al. (2013) Polpa de camu-camu Polietileno Nascimento, Freire e Freire
(2013)
Carbonato de cálcio, lodo de esgoto e
leite Esferas de vidro
Bezerra et al. (2013) Pasta de banana verde Polietileno Braga e Rocha (2013) Polpa de leite e amora Poliestireno e
A maioria das pesquisas citadas na Tabela 2.5 foram dedicadas ao estudo do comportamento fluidodinâmico, que está bem discutido e fundamentado na literatura (PATEL et al., 1986; SCHNEIDER e BRIDGWATER, 1993; PASSOS et al., 1990; PASSOS e MUJUMDAR, 2000; SPITZNER NETO, CUNHA, FREIRE, 2002; ALMEIDA, FREIRE e FREIRE, 2010; BACELOS et al., 2005).
Patel et al. (1986), Schneider e Bridgwater (1993), e Passos e Mujumdar (2000) ao estudarem a influência das pastas (glicerol e água) no comportamento fluidodinâmico, observaram uma redução na queda de pressão no leito em função da alimentação das pastas, relatando que isso ocorre, provavelmente, devido à vazão de ar na região anular ser reduzida à medida que uma substância pastosa ou líquida é adicionada no leito, além de que a presença da pasta no leito aumentar as forças coesivas entre as partículas. Patel et al. (1986) reportaram ainda que quanto maior o conteúdo líquido no leito, menor é o valor da velocidade do jorro mínimo. Passos e Mujumdar (2000) observaram resultados diferentes apontando um aumento nesse parâmetro fluidodinâmico com o aumento do conteúdo líquido.
Schneider e Bridgwater (1993) realizaram uma pesquisa importante sobre esse tópico e verificaram que a queda de pressão do leito diminui em função do aumento da alimentação da pasta (glicerol e água) e da viscosidade dessa pasta, e quanto a velocidade de ar na região do jorro, primeiramente há um aumento para então haver uma diminuição da velocidade em função da alimentação de pasta no leito. Spitzner, Cunha e Freire (2002) estudaram a secagem de dois fluidos Newtonianos (ovos e sangue) e de um pseudoplástico (suspensão de goma xantana) e verificaram um comportamento diferente em termos de queda de pressão e velocidade de jorro mínimo para cada uma das pastas estudadas, observando que, de uma forma geral, a queda de pressão do leito diminui com a alimentação das pastas, e a velocidade de mínimo jorro aumenta.
Apesar de serem encontrados na literatura dados aparentemente contraditórios em relação aos parâmetros fluidodinâmicos, todos levam em consideração a influência da presença de pastas no leito, sendo válido ressaltar que em alguns casos, essa presença compromete a estabilidade do leito, chegando inclusive ao colapso. Rocha e Taranto (2009) apontam que as principais conclusões a respeito da introdução de pastas no leito de jorro são: 1. existe uma taxa crítica de alimentação de pasta, 2. as forças de coesão dependem das propriedades das pastas e inertes e 3. se as forças de coesão podem ser negligenciadas, a vazão de jorro mínimo diminui com a alimentação da pasta.
