Determinação da cinética de secagem de kiwi amarelo (Actinidia chinensis) e kiwi verde (Actinidia deliciosa) / Determination of the drying kinetics of yellow kiwi (Actinidia chinensis) and green kiwi (Actinidia delicious)

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51941-51950 jul. 2020. ISSN 2525-8761

Determinação da cinética de secagem de kiwi amarelo (Actinidia chinensis) e kiwi

verde (Actinidia deliciosa)

Determination of the drying kinetics of yellow kiwi (Actinidia chinensis) and

green kiwi (Actinidia delicious)

DOI:10.34117/bjdv6n7-733

Recebimento dos originais: 20/06/2020 Aceitação para publicação: 27/07/2020

Amanda Soares Godoi

Universidade Federal da Grande Dourados (UFGD)

Faculdade de Engenharia (FAEN), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brasil.

Barbara Matias Moreira dos Santos

Felipe Mateus Silva Holsbach

Wesley Correa da Silva

Thayná de Lima

Leandro Osmar Werle

Faculdade de Engenharia (FAEN), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brasil. e-mail: leandrowerle@gmail.com

Raquel Manozzo Galante

Faculdade de Engenharia (FAEN), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brasil. e-mail: raquelgalante@ufgd.edu.br

RESUMO

O kiwi é um fruto rico em sais minerais. Cerca de 90% do seu peso é constituído por água. O fruto vem despertando grande interesse, por seu potencial produtivo e baixo custo de produção. Por ser uma fruta de alta perecibilidade que necessita de cuidados adequados, a secagem da fruta in natura pode ser um meio alternativo para sua comercialização. A obtenção dos kiwis amarelo (Actinidia chinensis) e verde (Actinidia deliciosa) foi realizada em um mercado local da região de Dourados – MS, Brasil. Este trabalho teve como objetivo o estudo da cinética de secagem pelo mecanismo da difusão mássica, a partir de fatias de duas variedades da fruta de kiwi. As frutas foram cortadas em fatias de 4 mm de espessura e colocados em secador de bandejas com temperatura 60°C. A velocidade do ar foi constante no valor de aproximadamente 2 m/s. A secagem do kiwi foi eficiente, pois a

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umidade de equilíbrio encontrada foi próxima de zero, e a difusividade efetiva obtida está na mesma ordem da encontrada na literatura, que foi de 9,9214x10-4 cm²/min para o kiwi amarelo, e 1,0310x10 -4_{cm²/min para o kiwi verde.}

Palavras-chave: difusão mássica; umidade; difusividade efetiva. ABSTRACT

Kiwi is a fruit rich in mineral salts. About 90% of its weight consists of water. The fruit has aroused great interest, due to its productive potential and low production cost. As it is a highly perishable fruit that needs proper care, drying the fruit in natura can be an alternative means for its commercialization. Obtaining yellow (Actinidia chinensis) and green (Actinidia delicious) kiwis was carried out in a local market in the region of Dourados - MS, Brazil. This work aimed to study the drying kinetics by the mass diffusion mechanism, from slices of two varieties of kiwi fruit. The fruits were cut into 4 mm thick slices and placed in a tray dryer at a temperature of 60 ° C. The air velocity was constant at approximately 2 m / s. The drying of the kiwi was efficient, since the equilibrium moisture found was close to zero, and the effective diffusivity obtained is in the same order as found in the literature, which was 9.9214x10-4 cm² / min for the yellow kiwi, and 1 , 0310x10-4 cm² / min for the green kiwi.

Keywords: mass diffusion; moisture; effective diffusivity.

1 INTRODUÇÃO

O Brasil destaca-se, dentre os países em desenvolvimento, como um dos maiores produtores mundiais de frutas, sendo a perda de produtos in natura estimada em torno de 50 % (Departamento de Economia Rural, 2012), podendo estar relacionada à falta de tecnologias adequadas de pós-colheita, transporte e armazenamento.

O kiwi é considerado um fruto rico em vitaminas e minerais, principalmente vitamina C. Contém antioxidantes que são importantes na diminuição da incidência de doenças degenerativas (câncer), cardiovasculares e inflamações (Machado et al., 2010).

Por ser uma fruta de alta perecibilidade que necessita de cuidados em relação ao transporte e sua conservação, o processo de secagem da fruta oferece um meio alternativo para sua comercialização, diminuindo a atividade de água e minimizando as reações de degradação (Doyamz & Pala, 2003; Simal et al., 2005). Alimentos desidratados são interessantes porque proporcionam produtos compactos, de fácil transporte e com valor nutricional concentrado, pois passa por um processo de retirada da água (Pani et al., 2008).

A cinética de secagem é a taxa na qual o alimento perde umidade e ocorrem transformações internas e externas, e é controlada pelas características da matriz do mesmo e pelas seguintes variáveis: temperatura, velocidade e umidade relativa do ar (Celestino, 2010). Também pode ser determinada por meio de modelos matemáticos semi-empíricos ou puramente empíricos (Madamba, 2003).

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Os estudos relacionados a desidratação de frutas aumentaram consideravelmente nas últimas duas décadas (Atarés et al., 2011). Os autores determinaram as cinéticas de secagem e observaram que os efeitos o tempo de secagem diminuiu quando foram empregadas maiores velocidades do ar, temperatura e menores valores de umidade relativa. As curvas de velocidade de secagem também foram determinadas, diminuindo seu valor com o tempo. Adicionalmente, os coeficientes de transferência de calor e massa foram determinados, e os autores observaram que um aumento na velocidade do ar de secagem produziu um aumento nos valores desses coeficientes. Já a aplicação de dois modelos exponenciais e o modelo difusivo para avaliar as cinéticas de secagem do kiwi entre 30 e 90ºC foi realizada por Simal et al. (2005), sendo o modelo de Page, o que melhor se ajustou aos dados experimentais.

Este trabalho teve como objetivo o estudo da cinética de secagem pelo mecanismo da difusão mássica, a partir de fatias de kiwi verde (Actinidia deliciosa) e kiwi amarelo (Actinidia chinensis) em secador de bandeja com velocidade do ar constante e a determinação do coeficiente difusivo de transferência de massa para as duas variedades diferentes da fruta.

2 MATERIAL E MÉTODOS

2.1. MATERIAL

A obtenção das frutas (kiwi verde e kiwi amarelo) foi realizada em um mercado local da região de Dourados – MS, Brasil. Para a preparação das amostras houve uma seleção e a lavagem para retirada de impurezas que pudessem interferir nos procedimentos do experimento. Foram realizados cortes em fatias de 4 ± 1 mm de espessura, posteriormente foi retirado sua casca e realizadas medidas do diâmetro em duplicatas para que pudesse quantificar o diâmetro médio de cada amostra. As amostras foram devidamente identificadas e pesadas. A pesagem foi realizada utilizando balança eletrônica analítica (OHAUS Pioneer PA413), com precisão de 0,01g.

Para realizar a secagem das amostras, foi utilizado um secador convectivo de bandejas. A temperatura do ar de secagem foi de 60 ± 2°C. A secagem ocorreu com fluxo de ar paralelamente a superfície das fatias das duas variedades de kiwi analisadas, sendo a velocidade do ar de secagem de 2 m/s.

2.2 DETERMINAÇÃO DAS CURVAS CINÉTICAS DE SECAGEM

Para a realização do experimento foi necessário o controle do fluxo de ar e da temperatura que estava no secador. Após a verificação da estabilização da temperatura do ar de secagem da estufa a 60°C foi medido o peso das amostras em períodos diferentes. Nas primeiras 2 horas, a amostra foi pesada em intervalos de 15 minutos. Nas duas horas seguintes, a cada 30 minutos, e a partir da quinta

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hora de experimento, pesou-se em intervalos de 1 hora até a obtenção de peso constante, ou seja, até atingir a umidade de equilíbrio. Posteriormente deixou-se as amostras por 24 horas no secador para obtenção do peso final ou amostra seca (Wss) (g sólido seco = gss). As curvas de secagem típicas foram obtidas plotando-se a umidade livre média pelo tempo de secagem, na qual a umidade ao longo do tempo (Xt) (gH2O/gss) foi obtida pela Equação 1, sendo W H2Oevap, a massa de água evaporada,

expressa em g H2O.

𝑋𝑡 = 𝑊 𝐻2𝑂𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑊𝑠𝑠

Através do valor de umidade ao longo do tempo de secagem foram construídas as curvas típicas de secagem. As curvas da taxa de secagem (Ra, expressas em gH2O/min.cm²) foram obtidas a partir do método numérico com a derivação dos dados de umidade em relação ao tempo, além do emprego do peso final da amostra seca e da área superficial (A) das amostras, expostas ao ar de secagem, com emprego da Equação 2.

𝑅𝑎 = 𝑊𝑠𝑠 . ∆𝑋 𝐴. ∆𝑡

Através do valor de umidade ao longo do tempo de secagem, calculou-se o adimensional de umidade livre (Y) pela Equação 3, onde Xe representa o teor de umidade de equilíbrio ou umidade final da secagem (gH20/gss) e X0 o teor de umidade inicial do produto, (gH20/gss);

𝑌 = 𝑋𝑡 − 𝑋𝑒 𝑋𝑜 − 𝑋𝑒

2.3. DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE DIFUSIVIDADE EFETIVA

A difusividade efetiva da água no interior do produto foi determinada segundo a 2ª Lei de Fick (Equação 4) e a solução analítica de Crank (1975) para placa plana, sendo a equação truncada no 1º termo a partir de um valor constante para espessura, temperatura e umidade inicial ou de equilíbrio, desconsiderando-se a contração volumétrica da amostra. As Equações 4 a 7 descrevem a modelagem utilizada para obtenção da difusividade efetiva empregando o método gráfico com ajuste exponencial, de acordo com Geankoplis (1998).

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51941-51950 jul. 2020. ISSN 2525-8761 𝑋𝑡 − 𝑋𝑒 𝑋𝑜 − 𝑋𝑒 = 8 𝜋2𝑒 −𝐷𝑒𝑓(_2𝐿𝜋)2.𝑡

A Equação 4 pode ser reescrita, obtendo-se a Equação 5.

𝑋𝑡 − 𝑋𝑒 𝑋𝑜 − 𝑋𝑒= 𝐴𝑒

𝑘𝑡

Onde A e k são parâmetros do modelo, os quais representam a constante do modelo e o coeficiente de secagem, respectivamente. Isolando-se o coeficiente de secagem (k) a partir da equação anterior, obtém-se a Equação 6, e a partir dela é possível determinar o coeficiente de difusão efetivo do produto (Def) (Equação 7). 𝑘 = −𝐷𝑒𝑓 (𝜋 2𝐿) 2 −𝐷𝑒𝑓 =𝐾. 4𝐿 2 𝜋2 Onde:

t - tempo de secagem, min;

k - coeficientes de secagem, min-1 ; a - constante do modelo, adimensional; L – espessura das fatias, cm;

Def - coeficiente de difusão efetivo, cm2.min-1.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

As curvas de secagem para as diferentes espécies de kiwi estão representadas pela Figura 1. O eixo das ordenadas é representado pela umidade livre média (teor de H2O/teor de sólidos solúveis) e o eixo das abscissas pelo tempo (t) em minutos. Na Figura 1 pode-se notar que nas primeiras 2 horas o conteúdo de umidade das amostras diminuiu mais rápido, e após esse tempo a secagem tornou-se mais lenta, o que também foi observado por Chaguri et al. (2014) em seu trabalho sobre cinética de secagem de kiwis.

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51941-51950 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 1. Curvas de secagem de rodelas dos Kiwis Amarelo e Verde, em condições constantes para temperatura de 60°C.

As umidades iniciais das amostras de kiwi amarelo e verde são 6,6052 gH2O/gSS e 5,1565 gH2O/gSS, respectivamente, representadas pelos pontos C1 e C2. Com isso observa-se que o kiwi amarelo contém quantidade de umidade maior que o kiwi verde, comparativamente. Observa-se que o processo levou cerca de 7 horas, até que a massa das amostras atingisse peso constante, para ambas as variedades avaliadas.

De acordo com Park et al. (2002) e Bendlin, (2003) o comportamento de secagem pode apresentar taxas de secagem constante e/ou decrescente. Para o caso de produtos biológicos o comportamento de secagem é, geralmente, decrescente. Na Figura 2 é possível observar a taxa de secagem decrescente para ambas as amostras.

Figura 2. Taxa de secagem para variedades de kiwi em temperatura de 60°C. -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 0 100 200 300 400 500 600 Um id ad e li vr e m é d ia ( gH 20/gS S) Tempo (min)

Kiwi Amarelo Kiwi Verde

C2 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0,004 0,0045 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Taxa d e sec ag e m ( gH 2O/c m ²m in )

Umidade livre média (gH20/gSS)

Kiwi Amarelo Kiwi Verde

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Observa-se que as curvas não apresentam período de taxa constante, somente taxa decrescente, confirmando o comportamento verificado na literatura para este tipo de produto. Comportamento semelhante foi observado por Kaya, Aydim & Kolauli (2010) e Simal et at. (2005) para a secagem do kiwi, Menezes et al., (2013) que estudaram a secagem do bagaço do maracujá-amarelo, Munhoz et al., (2014) e Rahman, Wahid e Rahman (2015) para a secagem da semente/polpa de bocaiuva e do rambutão, respectivamente.

Desta forma, concluiu-se que o processo difusivo é o que predomina para as variedades de kiwi analisados. Estes comportamentos são característicos de secagem de matérias primas orgânicas alimentícias, na qual se predomina somente a fase difusiva de transferência de massa.

Os dados da cinética de secagem de kiwis foram ajustados por meio da equação da 2° Lei de Fick (Equação 4). A Figura 3 (a) mostra o ajuste exponencial do modelo dos dados da cinética de secagem do kiwi amarelo, e a Figura 3 (b) do kiwi verde. Verifica-se que o modelo ajustado aos dados experimentais para as duas variedades da fruta apresenta coeficientes de determinação (R2) superiores a 0,97, podendo ser considerados como um bom ajuste, sendo que, para o kiwi verde, o ajuste foi superior nas condições avaliadas.

Figura 3. Cinética de secagem das amostras de (a) kiwi amarelo e (b) kiwi verde em um ajuste de modelo difusível da

segunda Lei de Fick.

y = 0,9362e-0,0153x R² = 0,9726 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0 100 200 300 400 500 600 A d im . Um id ad e li vr e Tempo (min) (a)

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A partir da 2° Lei de Fick e da Figura 3, foi possível obter a constante de secagem (k). Através da aplicação deste valor na Equação 7, encontrou-se a difusividade efetiva do kiwi (Def), mostrados na Tabela 1.

Tabela 1. Constante de secagem e difusividade efetiva de kiwis amarelo e verde. Kiwi Amarelo Kiwi Verde

k (min-1₎ _-0,0153 _-0,016

Def (cm²/min) 9,9214x10-4 _1,0375x10-4

O coeficiente de difusão reflete a capacidade de desidratação do material em determinadas condições de secagem, ela não é intrínseca ao material, e é um dos parâmetros mais importantes para otimizar o processo de secagem (Song, 2013). Ressalta-se que o coeficiente de difusão efetivo pode estar relacionado com a temperatura de secagem, velocidade do ar de circulação, estrutura morfológica do alimento e, também, a espessura das amostras.

Desta forma, a diferença dos valores das difusividades efetivas encontradas entre as duas variedades da fruta, conforme Tabela 1, pode estar relacionada com a espessura das amostras, pois os cortes na forma de fatias foram realizados com faca de corte convencional, os quais podem conter certa imprecisão, tornando difícil a reprodutibilidade exata da espessura para ambas amostras. Além disto, por se tratar de variedades diferentes da fruta, podem existir variações de textura e outras propriedades, o que também pode afetar o coeficiente de difusividade, porém para ambas amostras os valores estão na mesma ordem de grandeza.

De acordo com Madamba et al. (1996) para secagem de produtos agrícolas os valores do coeficiente de difusão apresentam-se na ordem de 10-4 a 10-6 cm2/min, desta forma os valores encontrados neste trabalho estão dentro da faixa de grandezas verificadas na literatura. Em um estudo

y = 0,9712e-0,016x R² = 0,9824 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 100 200 300 400 500 600 Adim . u mi d ad e l iv re Tempo (b)

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de secagem de kiwi (Actinidia deliciosa) realizado por Chaguri (2014), a difusividade efetiva encontrada pelo autor a uma temperatura de 60 °C foi de 1,836 x10-4 cm2/min. O autor também concluiu que com o aumento da temperatura, aumenta-se a difusividade efetiva.

Quando comparadas as duas variedades de kiwis, o coeficiente difusivo do kiwi amarelo foi superior ao do kiwi verde, conforme Tabela 1, isso demonstra uma maior facilidade na retirada de água do interior do alimento para esta variedade da fruta. Este dado corrobora com o comportamento observado na Figura 1, onde ambas as amostras atingiram peso constante em cerca de 7 horas de secagem, mesmo o kiwi amarelo contendo um teor de umidade inicial superior.

4 CONCLUSÕES

Pode-se afirmar que as curvas de secagem apresentaram comportamento cinético característico quando comparadas com outros artigos, com um aumento da perda de água no início do processo e posteriormente uma redução da velocidade de secagem. Verificou-se somente o período taxa decrescente, constatando que a difusão é o mecanismo físico dominante que rege o movimento da umidade para as duas variedades de kiwi analisados.

O processo de secagem do kiwi foi eficiente, pois a umidade de equilíbrio encontrada foi próxima de zero, e a difusividade efetiva obtida pela 2° Lei de Fick está na mesma ordem de grandeza encontrada na literatura.

REFERÊNCIAS

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