ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE MASSA NA DESIDRATAÇÃO OSMÓTICA DE FATIAS DE CHUCHU

MAURÍCIO CORDEIRO MANCINI1*

JÔNATAS DE AGUIAR FERREIRA1

STEFAN PADAR2

LUÍS AMÉRICO CALÇADA1

CLÁUDIA MIRIAM SCHEID1 1. PPGEQ/DEQ/IT- Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro;

2. Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zürich).

RESUMO: MANCINI, M. C. Estudo da transferência de massa na desidratação osmótica de fatias de chuchu. Revista Universidade Rural: Série Ciências Exatas e da Terra, Seropédica, RJ: EDUR, v. 24, n. 1-2, p. 57-66, jan-dez., 2005. Neste trabalho foi feito um estudo da cinética de desidratação, das condições de equilíbrio e do ganho de sólidos durante a desidratação osmótica de fatias de chuchu (Sechium edule, Sw.) em soluções hipertônicas de sacarose com concentrações de 20, 30 e 40% (p/v). Os experimentos foram conduzidos em um banho-maria termostatizado, construído especialmente para o desenvolvimento deste trabalho. As temperaturas de operação foram iguais a 30, 40 e 50 o_{C e foram} avaliados os efeitos da temperatura e da concentração de sacarose. Os chuchus inteiros foram lavados em água corrente e posteriormente submergidos em uma solução de hipoclorito de sódio por 10 minutos para higienização dos mesmo. Após a higienização, os frutos foram secos com papel toalha e cortados, longitudinalmente, em fatias de 0,5 cm de espessura num fatiador doméstico de alimentos. As fatias foram, então, desidratadas osmoticamente por submersão em solução hipertônica de sacarose por períodos de tempo pré-determinados. Após a desidratação osmótica, a solução hipertônica foi descartada e as fatias foram suavemente secas com papel toalha para a remoção do excesso de umidade superficial. A umidade das amostras foi determinada por gravimetria em estufa a 105o_{C por 48 horas. Experimentos de até 96} horas de duração foram realizados para determinar a umidade de equilíbrio das amostras e o modelo de SMITH (1947) para isotermas de sorção de partículas poliméricas, adaptado para as condições da desidratação osmótica, foi previamente selecionado com o auxílio de métodos estatísticos, para descrever a isoterma de equilíbrio das fatias de chuchu em soluções hipertônicas de sacarose. O modelo de OVERHULTS (1973) foi utilizado para descrever a cinética de desidratação osmótica das fatias de chuchu e os parâmetros k e n deste modelo foram estimados com base nos resultados experimentais obtidos. Com base nos resultados obtidos, foi possível verificar que a umidade de equilíbrio é fortemente dependente da concentração de sacarose, que o parâmetro k depende da temperatura, enquanto o parâmetro n pode ser assumido constante na faixa de condições experimentais estudada e que o ganho de sólidos pode ser desconsiderado, uma vez que foi inferior a 10% em todos os experimentos realizados.

ABSTRACT: MANCINI, M. C. Astudy of mass transfer in osmotic dehybration of chayote slices. Revista Universidade Rural: Série Ciências Exatas e da Terra, Seropédica, RJ: EDUR, v. 24, n. 1-2, p. 57-66, jan-dez., 2005. In this research, the drying kinetics, equilibrium conditions and the fraction of solids gained during osmotic dehydration of chayote (Sechium edule, Sw.) were studied using 20, 30 and 40% (w/v) sucrose solutions. A thermostatic bath was built to allow the experimental evaluation of osmotic dehydration kinetics and equilibrium moisture content determination. The experiments were carried out at three different temperatures (30°C, 40°C and 50°C) in order to evaluate the influence of temperature and sucrose concentration. Chayote fruits were washed and submerged in sodium hypochloride solution for ten minutes, for sanitization. Afterwards, the fruits were dried and cut into slices of about 0.5 cm thickness. Then, the slices were put into hypertonic sucrose solutions during pre-established time intervals. After osmotic dehydration, the solution was discarded and the slices were softly dried with absorbent paper to remove surface moisture. The moisture content was determined gravimetrically. Long time experiments up to 96 h were performed to provide information about the equilibrium moisture content. An specific equilibrium isotherm was selected by statistical methods. The correlation that better described equilibrium moisture content behavior was the SMITH (1947) sorption isotherm, adapted to osmotic environment. The OVERHULTS (1973) model was used to describe osmotic dehydration kinetics and estimate the drying constants k and n. Based on the results obtained in this research, it could be demonstrated that the equilibrium moisture content is strongly influenced by sucrose concentration, that k is a temperature dependent parameter, whereas n may be considered constant for the given experimental setup and that the percentage of solids gained is lower than 10%.

Palavras-chave: secagem alimentos, isotermas de equilíbrio

INTRODUÇÃO

A secagem de alimentos é uma importante operação unitária que visa remover o excesso de água, evitando a sua deterioração e aumentando, conseqüentemente, o tempo de vida de prateleira dos produtos.

Como o Brasil é um grande exportador de produtos agrícolas, a secagem de alimentos é de grande importância para o desenvolvimento do agro negócio no país. Em vista disto, estudos têm sido realizados no sentido de maximizar a produção e evitar perdas desnecessárias dos excedentes.

Os processos de secagem de alimentos por meio da desidratação osmótica, despertam interesse especial, por serem empregados em materiais de natureza animal e vegetal, além de apresentarem pequeno impacto no valor nutricional do produto, ordinariamente preservando as características naturais do mesmo, tais como, cor, tamanho, etc., se comparados com os métodos tradicionais de secagem.

O fruto utilizado neste trabalho foi o chuchu (Sechium edule, Sw. ), originário da América Central e ilhas vizinhas. O chuchu é uma curcubitácea, assim como o pepino, as abóboras, o melão e a melancia, e encontra-se entre as dez hortaliças mais consumidas no Brasil. É rica em fibras, pobre em calorias e destaca-se como fonte de potássio, além de ser uma fonte das vitaminas A e C.

As condições climáticas do Rio de Janeiro favorecem o cultivo do chuchu e o mesmo está no grupo de hortaliças de maior oferta do estado, havendo excedente em torno de 40%. Além disso, até o momento, poucas preparações culinárias valorizam a apreciação desta curcubitácea e o aproveitamento dos seus valores nutricionais. A combinação destes fatores justifica a preocupação em buscar meios alternativos de industrialização dessa matéria-prima e a sua

transformação em produtos de maior aceitação e valor agregado. (EMATER, 1992).

O objetivo desta pesquisa é estudar a desidratação osmótica de fatias de chuchu, apresentando modelos de secagem para a sua descrição, como primeiro passo para o desenvolvimento de um novo produto que possa ser usado como complemento alimentar.

Teoria

A eficiência do mecanismo de transporte osmótico é dependente de vários parâmetros como o gradiente de concentração, a resistência a transferência de massa, a área de troca de massa e a temperatura do processo (TELIS et al., 2003; AZOUBEL e MURR, 2003, MÙJICA-PAZ et al., 2003). Nos experimentos de desidratação osmótica em batelada, a concentração de solutos na solução hipertônica varia continuamente, reduzindo a força motriz para a transferência de massa entre a fatia sólida e a solução hipertônica. Além disso, para os procedimentos de secagem, a umidade é uma variável fundamental, somando-se ao fato, de ser determinada facilmente por gravimetria. Portanto, a variação da umidade das fatias com o tempo pode ser escrita de acordo com a Equação 1.

(1)

sendo Y_s(t) a umidade do sólido no

instante t, Y_seq a umidade de equilíbrio do material e k a constante de secagem. Integrando a equação 1, obtêm-se o modelo exponencial (KAJUNA et al., 2001). (2)

( )

₍

₍

₎

₎

seq s s

_k

_Y

_t

_Y

dt

t

dY

−

⋅

−

=

( )

kt seq so seq s

e

Y

Y

Y

t

Y

t

MR

=

− ⋅

−

−

=

(

)

A Equação (2) descreve bem a secagem de materiais particulados contendo água de superfície, nos quais as resistências internas à transferência de massa podem ser desprezadas. Porém, este não é o caso da secagem de materiais particulados de origem agrícola, nos quais as resistências internas à transferência de massa são significativas, principalmente nas etapas finais do processo, quando a umidade do material atinge valores que se aproximam da umidade de equilíbrio. Para compensar os desvios entre resultados experimentais e calculados pela Equação (2), o modelo empírico de dois parâmetros proposto por OVERHULTS (1973), apresentado na Equação (3), é amplamente aplicado na descrição de processos de secagem deste tipo de material.

(3)

MATERIAL E MÉTODOS Matéria-prima

Foram utilizadas fatias de chuchu adquirido no comércio local de Seropédica, Estado do Rio de Janeiro. Os frutos foram submetidos a um processo de lavagem e escovação da casca sob água corrente e higienizados com uma solução de hipoclorito de sódio (NaClO) à 2% (v/v), durante 10 minutos, sendo, posteriormente removidos da solução e secos com papel toalha. Os frutos higienizados e enxutos foram, então, cortados axialmente em fatias de 5 mm de espessura com um fatiador doméstico de alimentos.

Tratamento Osmótico

Sacarose dissolvida em água filtrada foi utilizada como agente osmótico. Foram preparadas soluções a 20, 30 e 40% (p/v) de sacarose em bécheres de 2 L,

pesando-se 360, 480 e 640 g de sacaropesando-se, respectivamente, em uma balança eletrônica da marca Marte, modelo T2000, com precisão de 0,01g, que foram, em seguida, diluídos em água filtrada até completar o volume de 1,6 L.

Preparadas as soluções, alíquotas de 300 mL foram vertidas em bécheres de 1 L devidamente identificados, para então serem introduzidos em um banho-maria ajustado na temperatura de trabalho, como mostrado na Tabela 1. Termômetros de mercúrio (-10 a 150°C) foram utilizados para fazer as medidas da temperatura da solução contida nos bécheres. Atingido o equilíbrio térmico, os frutos já higienizados e cortados axialmente em fatias de 5 mm de espessura, foram pesados, na balança eletrônica anteriormente citada, e separados em amostras de aproximadamente 120 g, sendo, em seguida, submersas em cada frasco. Posteriormente, os frascos foram cobertos com filme de PVC, para evitar a evaporação da solução hipertônica, prevenindo alterações nas propriedades osmótica e, também, para evitar possíveis contaminações com o meio externo. As fatias restantes foram utilizadas na determinação da umidade do material in natura.

A primeira etapa dos experimentos consistiu na determinação da umidade de equilíbrio Y_seq. Estes ensaios tinham a duração de 96 horas. Tendo em vista observações de experimentos preliminares, uma pequena quantidade de formaldeído (0,5% v/v) foi adicionada à solução hipertônica para evitar a fermentação do sistema. As amostras foram recolhidas do sistema em intervalos de tempo pré-estabelecidos, como mostrado na Tabela 2. Considerou-se que o equilíbrio foi alcançado, após três medidas de umidade constantes.

Tabela 1: Condições experimentais. cometidos pelos operadores nas etapas de remoção e secagem das amostras com papel absorvente.

Estimativa de Parâmetros

Para a determinação da umidade de equilíbrio, um modelo de isoterma de equilíbrio, adaptado para descrever o comportamento da desidratação osmótica, foi ajustado aos dados experimentais. A discriminação do modelo de isoterma de equilíbrio mais adequado para este tipo de material foi apresentada detalhadamente no trabalho de FERREIRA (2005), ficando estabelecido que a isoterma de SMITH (1947), modificada para o ambiente osmótico, foi a que proporcionou o ajuste entre resultados experimentais e calculados com desvios relativos médios inferiores a 10%, sendo, portanto, a escolhida para utilização neste trabalho. Os parâmetros do modelo foram calculados usando-se o procedimento de estimação não-linear do Software Statistica (Release 5.1, StatSoft Inc., 1996). O método de estimação utilizado foi o “Rosenbrock and quasi-Newton”, com o valor inicial de 0,1 e tamanho de passo de 0,5. O número máximo de iterações foi ajustado para 500 e o critério de convergência de 1 x 10-6_.

Os dados experimentais relativos à cinética de desidratação osmótica foram utilizados no ajuste da Equação 3, estimando-se o valor dos parâmetros k e n, com o mesmo procedimento para estimação dos parâmetros da correlação para a umidade de equilíbrio.

RESULTADOS E DISCUSSÕES Modificações durante o tratamento osmótico

Durante a realização de experimentos preliminares, observou-se que a coloração verde das fatias de chuchu foi desvanecendo levemente durante o Em uma segunda etapa, experimentos

foram conduzidos por 8 horas, objetivando determinar a cinética de secagem na desidratação osmótica das fatias de chuchu. No atual estágio do trabalho, face ao longo período aplicado na determinação dos dados de equilíbrio, a cinética de desidratação osmótica foi avaliada apenas para a concentração de sacarose de 30% (p/v).

Tabela 2: Intervalos de tempo pré-definidos.

Determinação da umidade

Após o período de tratamento osmótico, os frascos foram retirados do banho-maria, nos intervalos de tempos mostrados na Tabela 2, a solução de sacarose foi drenada, o excesso de solução foi removido das fatias, envolvendo-se as mesmas em papel absorvente por 15 s, e as amostras foram conduzidas à estufa a 105°C por 48 horas, para determinação da umidade das fatias, em cada instante. Todos os experimentos foram realizados em triplicata. Estima-se que as incertezas relativas às etapas experimentais sejam superiores a 5%, dada a precisão dos equipamentos utilizados e eventuais erros

tratamento osmótico, provavelmente causado pela degradação da clorofila e pela presença residual de cloro na água filtrada utilizada na preparação da solução hipertônica de sacarose, podendo-se notar, também, o encolhimento das fatias. Após 24 horas, pode-se observar que a solução estava turva com formação de bolhas. A solução começou a fermentar, pois a alta concentração de sacarose e a temperatura de operação do processo promoveram o crescimento microbiano. Para evitar a fermentação durante os experimentos de determinação dos dados de equilíbrio, 0,5% v/v de formaldeído foi adicionado na solução hipertônica.

Umidade de equilíbrio

Na Tabela 3, são apresentados os resultados da desidratação para os experimentos de equilíbrio. Os resultados foram avaliados estatisticamente pelo teste de Tukey, com P < 0,05, e são indicados pelas letras sobrescritas às médias da umidade de equilíbrio. Pode-se verificar que, segundo o critério estabelecido, não é possível garantir que há influência significativa da temperatura sobre o valor da umidade de equilíbrio, uma vez que os efeitos desta variável não são significativos para vários tratamentos. Por outro lado, os efeitos da concentração de sacarose são significativos para todos os tratamentos, o que indica, predominantemente, o efeito da concentração na determinação do valor da umidade de equilíbrio.

Tabela 3: Umidade de equilíbrio das fatias de chuchu.

No trabalho de SOARES et al. (2004) foram realizadas a adaptação e a discriminação de modelos tradicionais de isotermas de equilíbrio para avaliar a desidratação osmótica de fatias de maçã e pêra, verificando-se que estas correlações são funções da temperatura e da concentração de soluto. No trabalho de FERREIRA (2005), as correlações testadas no trabalho de SOARES et al.

(2004) foram avaliadas para a desidratação osmótica de fatias de chuchu, verificando-se que a isoterma de SMITH (1947), adaptada para o ambiente da desidratação osmótica, conforme mostrado na Equação (4) foi a que melhor descreveu a variação da umidade de equilíbrio das fatias de chuchu com a concentração de sacarose.

T (°C) C (p/v) Exp.1 Exp.2 Exp.3 Média σ CV

30 0,2 5,756 5,887 5,809 5,811a 0,065 1,12 30 0,3 4,000 3,990 4,010 4,000b 0,010 0,25 30 0,4 2,370 2,510 2,420 2,433c _{0,071 2,92} 40 0,2 6,470 6,660 6,220 6,449d 0,218 3,38 40 0,3 3,740 3,440 4,220* 3,590e 0,212 5,91 40 0,4 2,690 2,600 2,800 2,697f 0,100 3,71 50 0,2 5,593 5,608 5,225 5,475a 0,217 3,96 50 0,3 3,785 3,580 3,782 3,716e 0,118 3,17 50 0,4 2,509 2,829 2,655 2,664c,f 0,160 6,01

σ - Desvio Padrão, CV – Coeficiente de Variação, (*) Resultado descartado

Baseado nos resultados destes dois

trabalhos e naqueles apresentados na

Tabela 3, foi realizada a determinação dos parâmetros da Equação (4), do desvio

padrão (σ) destes parâmetros, do

coeficiente de correlação (R), do desvio relativo médio (DRM) e dos valores para o teste t tabelado e calculado. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 4, na qual se observa que os dois parâmetros são significativos e a correlação é capaz de predizer os valores da umidade de equilíbrio com desvio relativo médio inferior a 10%.

(4)

Tabela 4: Estimação de Parâmetros da isoterma de SMITH.

)

1

ln(

1 0

A

C

A

Y

_seq

=

+

−

P a r â m e t r o A0 A1 V a l o r 7 , 9 0 2 1 0 , 6 7 8 σ 0 , 4 2 8 1 , 1 2 1 t7 c a l c . 1 8 , 4 5 7 9 , 5 3 0 t7 t a b . 3 , 2 1 5 3 2 1 5 R = 0 , 9 6 3 5 5 D R M = 6 , 7 1 %

Avaliação da cinética de desidratação osmótica de fatias de chuchu

Para cada experimento a constante de secagem foi calculada usando o modelo de OVERHULTS (1973). Os valores médios de k e n, para cada temperatura, são apresentados na Tabela 5. T(°C) k (t-1) n R DV(%) 30 0,0107 0,5110 0,9994 1,39 40 0,0151 0,5431 0,9964 4,99 50 0,0239 0,6008 0,9991 3,29 Valor médio 0,0166 0,5517 σ 0,0067 0,0455 CV (%) 40,53 8,25

DV- Desvio Médio Relativo, σ - Desvio Padrão; CV – Coeficiente de variação

Pela análise da Tabela 5, verifica-se que há uma diferença significativa para constante de secagem k nas diferentes temperaturas estudadas neste trabalho, com coeficiente de variação maior que 40%. Porém, para o parâmetro n, o coeficiente de variação foi inferior a 10% e

pode-se considerar que nenhuma diferença significativa foi observada nas várias temperaturas avaliadas, sendo possível utilizar um valor médio de 0,5517 para este parâmetro nas simulações da desidratação osmótica.

A correlação apresentada na Equação (4), com os parâmetros listados na Tabela 4 foi aplicada, posteriormente, na determinação da umidade de equilíbrio das fatias de chuchu, necessária na modelagem matemática da cinética de desidratação osmótica deste material.

Na Figura 1 são apresentadas as curvas de secagem para as três diferentes temperaturas (30, 40 e 50ºC) e concentração de sacarose de 30% (p/v), usando o valor médio de n e os valores de k apresentados na Tabela 5. Nota-se que

o aumento na temperatura do processo acelera o mecanismo de transporte, indicando a diminuição das resistências internas à transferência de massa no material.

Figura 1: Comparação entre os resultados experimentais e calculados pelo modelo de OVERHULTS (1973). 0 100 200 300 400 500

t (min)

4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00

Y

s

(

b

.s

.)

30°C - exp 30°C - sim 40°C - exp 40°C - sim 50°C - exp 50°C - sim C = 30 % (p/v)

Com base nos resultados apresentados na Tabela 5, uma correlação linear foi proposta para correlacionar k à T, Equação (5).

(5)

Os valores calculado de k, obtidos pela Equação (5), e o valor médio de n foram usados para simular a desidratação osmótica das fatias de chuchu para validar a correlação apresentada no trabalho. Um novo experimento, em temperatura de 40º_C

Tabela 6: Resultados do percentual médio e do máximo de ganho de sólidos.

Exp C (p/v) T (ºC) Média (%) Máximo (%)

1 0,2 30 0,99 2,03 2 0,2 40 1,31 1,97 3 0,2 50 2,23 4,65 4 0,3 30 2,77 4,92 5 0,3 40 2,32 3,80 6 0,3 50 4,39 8,56 7 0,4 30 2,66 3,28 8 0,4 40 2,76 3,75 9 0,4 50 3,95 7,17

Figura 2: Comparação entre os resultados experimentais e simulados – validação experimental das Equações (3), (4) e (5).

0 50 100 150 200 250 t (min) 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 Y s ( b .s .) Experimental Calculado DRMédio = 7,02% DRMáximo = 18,91% Cond. op.:40°C, 30%

Estudo do ganho de sólido do chuchu

Na Tabela 6, são apresentados os dados da média percentual e o valor máximo do ganho de soluto das fatias de chuchu. Pode-se constatar que, em todos os experimentos, o percentual médio de ganho de sólido foi inferior a 5%, enquanto que o percentual máximo foi inferior a 9%.Estes resultado eram esperados, já que a razão amostra/solução foi de (1/2,5), bem inferior àquelas reportadas na literatura (TELIS et al., 2003; AZOUBEL e MURR, 2003). Portanto, os percentuais

médios do ganho de sólidos obtidos foram menores que os 5% estimados para as incertezas experimentais. Considerando-se os valores obtidos para o ganho de sólidos desprezíveis, pode-se minimizar a possibilidade de erro nos cálculos realizados para determinação da umidade das fatias de chuchu.

CONCLUSÕES

A umidade de equilíbrio das fatias de chuchu foi significativamente afetada por variações da concentração da solução hipertônica, enquanto o mesmo efeito não pode ser caracterizado face a variações na temperatura da solução.

A umidade de equilíbrio pode descrita por uma correlação do tipo SMITH (1947), adaptada para o processo de desidratação osmótica. O ajuste pela isoterma apresentou um coeficiente de correlação em torno de 0,97 e desvio relativo médio inferior a 10%.

A avaliação da cinética de desidratação osmótica das fatias de chuchu possibilitou a verificação de que o aumento na temperatura de operação aumenta, também, a remoção de água do material, o que indica redução das resistências internas à transferência de massa.

Os dados cinéticos foram ajustados por meio do modelo de OVERHULTS (1973), apresentando coeficiente de correlação superior a 0,99. O parâmetro n não se mostrou claramente dependente da temperatura, enquanto o parâmetro k apresentou um ajuste linear com T.

O ganho de soluto apresentado nesta pesquisa foi inferior a 10%, portanto abaixo das incertezas experimentais. Sendo assim, para efeito de cálculos, pode ser considerado desprezível.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AZOUBEL, P.M. & MURR, F.E.X. (2003). Mass transfer kinetics of osmotic dehydration of cherry tomato. Journal of Food Engineering, 61, (3), 291–295.

COLSON, K.H. & YOUNG, J.H. (1990). Two-component thin layer drying model for unshelled peanuts. TRANS. ASAE, 33(1), 241–246.

EMATER, 1992. Manual de produção e

industrialização de frutas e hortaliças, v.1, Rio de Janeiro, 56p.

FERREIRA, J.A. (2005). Estudo da desidratação osmótica de fatias de chuchu (Sechium edule, Sw.); dissertação de M.Sc. PPGEQ/UFRRJ, 78 p., Seropédica – RJ.

KAJUNA, S.T.A.R.; SILAYO, V.C.K.; MKENDA, A. & MAKUNGU, P.J.J. (2001). Thin-layer drying of diced cassava roots. African Journal of Science and Technology, Science and Engineering Series 2 (2), 94 – 100.

MÚJICA-PAZ, H., VALDEZ-FRAGOSO, A.; LÓPEZ-MALO, A.; PALOU, E. & WELTI-CHANES, J. (2003). Impregnation and osmotic dehydration of some fruits: effect of vacuum pressure and syrup concentration. Journal of Food Engineering, 57, 305-314.

OVERHULTS, D.G.; WHITE, G.M.; HAMILTON, H.E. AND ROSS, I.J. (1973). Drying of Soybeans with Heated Air; Trans. Of the ASAE, pp. 112-113; citado por MANCINI, M.C.,Transferência de Massa em secadores de Grãos (1996); Tese de D.Sc.; PEQ/COPPE/UFRRJ.

SMITH, J.E. The sorption of water vapor by high polymers. (1947), J. Am. Chem. Soc., v. 69, p. 646-651; citado por ROA, G., Natural drying of cassava. Michigan, USA, 1974. 154 p. PhD Thesis, MSU, Michigan, USA.

STATSOFT, Inc. (1999). STATISTICA for Windows [Computer program manual] Tulsa, OK.