UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO
RIO GRANDE DO SUL – UNIJUI
JOÃO CARLOS SEGATTO LEITE
PROCESSOS DE DESIDRATAÇÃO DE HORTALIÇAS: UM ESTUDO DE CASO DA CENOURA
Ijuí -RS 2018
JOÃO CARLOS SEGATTO LEITE
PROCESSOS DE DESIDRATAÇÃO DE HORTALIÇAS: UM ESTUDO DE CASO DA CENOURA
Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Química apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Químico.
Orientador (a): Prof. Dr(a) Fernanda da Cunha Pereira
Ijuí 2018
JOÃO CARLOS SEGATTO LEITE
PROCESSOS DE DESIDRATAÇÃO DE HORTALIÇAS: UM ESTUDO DE CASO DA CENOURA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro Químico e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Ijuí, 21 de dezembro de 2018
Profa. Fernanda da Cunha Pereira Doutora pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientadora Profa. Fernanda da Cunha Pereira Coordenador do Curso de Engenharia Química/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Profa. Joice Viviane de Oliveira (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal do Rio de Janeiro
AGRADECIMENTOS
A Deus, por me conceder a força necessária para a conclusão de mais uma etapa. A minha família, pelo apoio, incentivo, carinho e também pela compreensão nos momentos de dificuldade.
A minha companheira Laura Elisa Sherer Wildner, pelo amor, companhia e paciência. À professora Fernanda da Cunha Pereira, pelo apoio, incentivo e orientação sempre assertiva e valiosa.
O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo.
RESUMO
LEITE, JOÃO CARLOS SEGATTO. Processos de desidratação de hortaliças: Um estudo de
Caso da cenoura. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Química,
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
O mercado de alimentos desidratados, em especial o de hortaliças, tem crescido de maneira exponencial no Brasil. A demanda de um menor custo de transporte, um território de proporções continentais, maior tempo de conservação do produto a disposição do consumidor final e uma maior versatilidade para diferentes aplicações, é característico deste país. Sendo um nicho de atuação em desenvolvimento, é crescente o número de estudos objetivando a criação de novos processos de desidratação e também a otimização de processos já utilizados na indústria. O estudo desenvolvido neste trabalho busca revisar conceitos na literatura que permeiem o conhecimento sobre desidratação de hortaliças. Em especial, aspectos que transitam desde o entendimento da cinética de secagem e do processo de desidratação. Fatores que motivam o método de desidratação em busca da conservação, bem como aspecto relevantes frente a reidratação e características sensoriais dos alimentos desidratados. Estes processos de desidratação de hortaliças, por serem tradicionais, abordou tecnologia de Spray Dryer, e liofilização, sendo o primeiro baseado em uma desidratação proporcionada pelo contato do produto, atomização com uma corrente de ar aquecido e, a segunda consiste em resfriamento do produto a baixas temperaturas e posterior sublimação. A partir das particularidades de cada metodologia é possível entender que, para cada tipo de produto a ser desidratado é necessário uma vasto estudo, que vai desde aprender as características originais do produto, as perdas nutricionais decorrentes do processo e também a viabilidade econômica em escala industrial.
Palavras-chave: Desidratação de hortaliças, cenoura, liofilização, spray dryer, engenharia
ABSTRACT
LEITE, JOÃO CARLOS SEGATTO. Processes of vegetable dehydration: A case study of carrot.. 2018. Course Completion Work. Chemical Engineering Course Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018
The market for dehydrated foods, especially vegetables, has grown exponentially in Brazil. The demand for a lower cost of transport, a territory of continental proportions, longer product retention time for the final consumer and greater versatility for different applications, is characteristic of this country. Being a developing niche, the number of studies is increasing, aiming at the creation of new dehydration processes and the optimization of processes already used in the industry. The study developed in this work seeks to review concepts in the literature that permeate knowledge about vegetable dehydration. In particular, aspects that go from the understanding of drying kinetics and the dehydration process. Factors that motivate the method of dehydration in search of conservation, as well as relevant aspect to rehydration and sensorial characteristics of dehydrated foods. These traditional vegetable dehydration processes have addressed Spray Dryer technology and lyophilization, the first being based on dehydration provided by the product contact, atomization with a heated air stream and the second consists of cooling the product to low temperatures and subsequent sublimation. Based on the particularities of each methodology, it is possible to understand that for each type of product to be dehydrated a vast study is necessary, ranging from learning the original characteristics of the product, nutritional losses due to the process and also the economic viability on an industrial scale.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Representação gráfica da relação entre a aw e suas reações deteriorativas ... 18
Figura 2: Curva típica de secagem - umidade em função do tempo... 21
Figura 3: Gráfico de equilíbrio de umidade... 22
Figura 4: Morfologia da cenoura ... 29
Figura 5: Esquema de um spray dryer ... 35
Figura 6: Representação do processo de liofilização... 40
Figura 7: Diagrama de fases da água ... 41
Figura 8: Transmissão de calor na liofilização: a) pela camada seca; b) pela camada congelada; c) geração interna do calor por micro-ondas ... 42
Figura 9:Esquema de reconstituição de um pó solúvel em solução aquosa ... 47
Figura 10:Representação de diferentes processos de reidratação ... 48
Figura 11: Suco de cenoura em pó obtido no spray dryer ... 53
Figura 12: Superfície de resposta indicando a retenção de carotenoides em microcápsulas obtidas por spray dryer (a) e por liofilização (b). As regiões mais escuras indicam maior concentração de carotenoides no produto... 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1:Atividades de água mínima para crescimento e desenvolvimento de alguns micro-organismos ... 19 Tabela 2: Composição para a porção de 100g de cenoura crua... 31 Tabela 3: Concentração média de α e β-carotenos em diferentes vegetais ... 32 Tabela 4:Planejamento experimental utilizado para preparar a emulsão para alimentação do spray dryer ... 54
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 : Principais aplicações industriais do spray dryer ... 34 Quadro 2 : Principais variáveis no processo de spray dryer ... 36 Quadro 3 : Principais variáveis no processo de spray dryer ... 51
LISTA DE SIGLAS
AW Water activity.
ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO ... 13 1.2 PROBLEMA ... 14 1.2.1 Objetivo Geral ... 15 1.2.2 Objetivos específicos ... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... Erro! Indicador não definido. 2.1 DESIDRATAÇÃO DE HORTALIÇAS ... 16
2.2 ATIVIDADE DE ÁGUA ... 17
2.3 CINÉTICA DE SECAGEM ... 19
2.4 FUNDAMENTOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 23
2.4.1 Condução ... 23 2.4.2 Convecção ... 23 2.4.3 Radiação ... 24 3 METODOLOGIA ... 25 3.1 NATUREZA DA PESQUISA ... 25 3.2 COLETA DE DADOS ... 26
3.3 PROCEDIMENTOS DE ANÁLISE DE DADOS ... 26
4 RESULTADOS E DISCUSÕES ... 27
4.1 CENOURA: UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO DE PROCESSOS DE DESIDRATAÇÃO ...27
4.1.1 Aspectos gerais da espécie ... ...29
4.1.2 Aspectos Nutricionais da Cenoura ... 31
4.2 POSSIBILIDADES DE TECNOLOGIAS PARA A DESIDRATAÇÃO DE CENOURA...33
4.2.1 Desidratação por atomização (spray dryer) ... 33
4.2.1.1 Vantagens ... 37
4.2.1.2 Desvantagens ... 37
4.2.1.3 Agentes carregadores (encapsulantes) ... 38
4.2.2 Desidratação por liofilização... 39
4.2.2.1 Fundamentos físicos da liofilização ... 40
4.2.2.2 Transferência de energia e massa ... 42
4.2.2.3 Vantagens ... 43
4.2.2.4 Desvantagens ... 44
4.3 ALTERAÇÕES PROVOCADAS PELA DESIDRATAÇÃO ... 45
4.4 REIDRATAÇÃO DE ALIMENTOS ... 47
4.5 ANÁLISE SENSORIAL ... 49
4.6 ESTUDO DE CASO: RETENÇÃO DE CAROTENÓIDES DE SUCO DE CENOURA .. 50
4.6.1 Desenvolvimento dos estudo... 51
4.6.2 Resultados obtidos ... 54
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 56
6 DESAFIOS E NOVAS PERSPECTIVAS DE INOVAÇÃO ... 57
1 INTRODUÇÃO
A presente introdução busca situar o leitor nos elementos básicos que nortearam e motivaram a presente pesquisa. Para isso, são apresentados a contextualização, o problema de pesquisa e os objetivos deste trabalho.
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO
A produção de alimentos desidratados têm sido alavancada pela crescente demanda de mercado. Prova disso é o fato de o mercado de sopas desidratadas ter apresentado crescimento constante desde a década passada. Assim, esse nicho de mercado está em expansão e tem potencial para um crescimento exponencial (ORNELLAS, 2001).
Nesse sentido, por se tratar de mercado em expansão, é válida a preocupação em desenvolver processos produtivos com menor consumo de energia e especificações de qualidade cada vez mais rigorosas. Esses processos só são possíveis com uma profunda compreensão das metodologias de concepção e operação dos processos de desidratação e reidratação dos legumes em pó (KROKIDA; MARINUS-KOURIS, 2003).
No Brasil, devido à extensão territorial, às condições climáticas e a distância entre os centros produtivos e o consumidor final, a utilização de métodos de desidratação artificiais é de suma importância, uma vez que estende o tempo de vida de alimentos perecíveis como hortaliças, que muitas vezes precisam percorrer grandes distâncias e acabam se deteriorando com grande facilidade (ORNELLAS, 2001). Dessa forma, de acordo com Rosa (2010, p. 11), a desidratação tem a seguinte importância na conservação de alimentos;
A secagem, que é a retirada de substâncias voláteis dos materiais, tem grande importância no processamento de alimentos. A maioria das frutas e vegetais possui alto teor de umidade quando “in natura”, o que os torna perecíveis [...] Por isso, a secagem, por propiciar a redução do teor de umidade, é uma forma comum de conservação de alimentos. Além do aumento de vida útil desses produtos, a secagem diminui os custos com armazenamento e transporte.
O desenvolvimento da indústria alimentícia e a busca por melhoria contínua se dá a partir da premissa de que os alimentos são importantes fontes de obtenção de elementos calóricos e nutricionais, tais como lipídios, carboidratos, fibras alimentares e minerais, que são de suma
importância para o bom funcionamento do organismo. Assim, com vistas a alimentação saudável é recorrente a recomendação da ingestão de alimentos pobres em gordura, ricos em fibras e com preferência para a ingestão de frutas e verduras (SANTOS et al., 2002).
Quando o assunto é a conservação de alimentos (SANTOS, 2005) compreende-se que a desidratação de alimentos está em pleno desenvolvimento de novas tecnologias, promovendo a disponibilidade de novos produtos e ingredientes para a indústria de produção de alimentos. Com esse viés, a desidratação se apresenta como uma técnica economicamente viável para o aproveitamento dos excedentes de produção e também para sanar as dificuldades logísticas de muitas regiões.
1.2 PROBLEMA
Os avanços tecnológicos na área de conservação de alimentos proporcionaram uma vasta gama de produtos desidratados que são utilizados em sopas instantâneas com legumes e vegetais, sucos de frutas em pó (maça, abacaxi, manga, banana) além da produção de cogumelos e tomates secos em conserva (SANTOS, 2005). Toda essa variedade é explicitada por Vilela e Henz (2000), os quais em seus estudos afirmam que no ano de 2000 os produtos liofilizados e hortaliças desidratadas (inclusive frutas) tiveram um consumo médio anual de 1.300 toneladas destinados à produção de molhos e sopas.
Pelo fato de que tradicionalmente o consumo de frutas e verduras são realizados in natura, é válida a preocupação a respeito da qualidade dos alimentos desidratados e as possíveis alterações que possam sofrer. Silva, (2000, apud BEZERRA, 2007, p. 65) traz o esclarecimento de que:
A desidratação dos alimentos causa, em geral, poucas alterações, sendo algumas delas desejáveis, como a perda de água, com a consequente concentração dos nutrientes por unidade de peso. As propriedades organolépticas, principalmente a textura, e o valor nutritivo, especialmente, as vitaminas, são afetadas negativamente quando expostas às altas temperaturas em tempo prolongado, porém as perdas são pequenas. Todavia, a remoção de água é um eficiente método utilizado no controle do desenvolvimento de microrganismos, visto que este constituinte é imprescindível para as atividades metabólicas de todas as formas de vida.
Assim, o problema/pergunta da presente pesquisa é: quais os modos mais eficazes de desidratação de alimentos, de modo a minimizar a perda de nutrientes e maximizar a qualidade e durabilidade do alimento? A partir disso, foram definidos os objetivos a seguir.
1.2.1 Objetivo Geral
As metodologias de desidratação de alimentos são desenvolvidas de maneira particular para cada alimento, ou seja, a técnica para a obtenção de leite em pó não é a mesma que a de obtenção de café. Desse modo, o desafio deste trabalho consiste em uma revisão de literatura que apresentará alguns processos tecnológicos que possam ser utilizados e estudados para a desidratação de hortaliças. Devido ao universo de possibilidades ser amplo, este trabalho enfocará nos processos de liofilização e de secagem por spray dryer (atomização).
1.2.2 Objetivos específicos
Descrever os processos de liofilização e de secagem por spray dryer.
Correlacionar os dois processos de desidratação apresentados, comparando os seus aspectos vantajosos e limitantes.
Mostrar o impacto dos efeitos da desidratação sobre as hortaliças.
Identificar como é o processo de reconstituição de hortaliças desidratadas, assim como os aspectos sensoriais do produto.
Apresentar como exemplo de aplicação os aspectos referentes à desidratação do suco da cenoura.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A presente revisão teórica busca sistematizar os elementos relevantes para a compreensão dos processos de desidratação, seus benefícios e prejuízos. Para isso, as sete seções apresentam esses processos e exemplificam o que utilizam em determinados tipos de alimentos, como a cenoura.
2.1 DESIDRATAÇÃO DE HORTALIÇAS
No mercado brasileiro, a oferta de produtos agrícolas é abundante e os índices de perdas após a colheita são grandes. Esse fato reforça a necessidade de desenvolvimento de processos baratos e eficientes para a conservação de alimentos perecíveis. Existem diversos métodos de desidratação de alimentos. Dentre esses, a secagem é considerada uma das técnicas mais utilizadas (VISHWANATHAN et al., 2010).
A secagem é definida como um processo no qual ocorre a remoção de umidade (substâncias voláteis) a partir do emprego de energia térmica com a finalidade de obtenção de um produto no estado sólido (KEEY, 1975). Segundo Gurgel (2014), desidratar alimentos é um procedimento que melhora a estabilidade desse a partir da redução da atividade de água, que acarreta no alimento uma redução de atividade enzimática e microbiológica e de suas alterações físico-químicas oriundas dos processos de armazenamento. Como vantagem principal do processo de desidratação, destacam-se a facilidade de transporte, o aumento da vida útil e a redução de perdas na colheita e, por consequência, maior comercialização.
Uma das principais causas da deterioração de alimentos frescos e conservados é a quantidade de água presente neles, sendo o termo atividade de água (Aa) desenvolvido para indicar a intensidade com qual a água associa-se com constituintes aquosos dentro do alimento. (DAMODARAN et al., 2010).
O crescimento microbiano pode ser interrompido em duas situações limitantes: i) ausência total de solutos, água pura, cuja atividade é igual a 1; ii) em situação de Aa muito baixa, cujo valor varia de um microrganismo para outro (DAMODARAN et al., 2010). Uma das alternativas para a diminuição da atividade de água é a desidratação do alimento, colaborando assim para uma maior conservação e uso prolongado dos alimentos (FRANCO, 2015).
Conceitualmente a secagem consiste em transferir a umidade da forma de vapor para uma fase superior não saturada. Este processo depende das condições específicas de temperatura e pressão de vapor do líquido a ser “retirado” do alimento, tendo em vista que a condição para ocorrência de desidratação é de que a pressão de vapor do líquido, que está no elemento, seja maior que a pressão parcial do mesmo líquido quando na fase gasosa (SAHIN & DINCER, 2005).
Dois processos simultâneos podem ser observados nesse tipo de procedimento: transferência de calor, através da vaporização do líquido e transferência de massa do líquido ou vapor presente no interior do material para a atmosfera na forma de vapor. Porém o controle de secagem depende das condições internas de transferência de massa, das características do sólido ou das condições externas, tais como temperatura e velocidade do gás de secagem (JANGAM; MUJUMDAR, 2010, p. 25).
A secagem de alimentos não apresenta somente vantagens, pois no decorrer do processo podem ocorrer mudanças na textura, cor e valor nutricional do alimento. Segundo Hiranvarachat et al.2008, a secagem com a utilização de ar quente é a mais utilizada industrialmente, mesmo sabendo que esse método possa causar considerável diminuição da qualidade nutricional. Isso reforça a necessidade, já explicitada, da importância de processos mais desenvolvidos e que procurem contemplar a exigência de qualidade dos clientes.
2.2 ATIVIDADE DE ÁGUA
No tópico anterior foram apresentados, de forma geral, os parâmetros e implicações da atividade de água sobre a deterioração do alimento. Nesta seção, será dada ênfase aos detalhes desse processo, tendo em vista que a desidratação tem a finalidade de reduzir a disponibilidade de água dos alimentos para um nível onde haja um menor risco de degradação e crescimento de microrganismos.
Um dos principais fatores que pode causar alterações nos alimentos é a quantidade de água que esse apresenta, ao comparar dois alimentos com um igual teor de água os mesmos podem sofrer alterações diferentes de propriedades e com isso se pode afirmar que a quantidade de água não é por si só um indicador de deterioração dos alimentos (ORDÒÑEZ, 2005).
A partir disso nasceu o conceito de atividade de água, expresso na língua inglesa por water
activity (aw) ou, em português, por aa. Esse conceito é importante no estudo da deterioração dos
alimentos, pois tem relação direta com a atividade metabólica e de crescimento dos microrganismos e, por consequência, em suas reações hidrolíticas. Em síntese, o termo atividade de água mensura
a intensidade das forças que unem os componentes não aquosos à água e, por consequência, a quantidade de água disponível para o crescimento dos microrganismos (ORDÒÑEZ, 2005).
Na Figura 1 são representadas as faixas de aw e suas respectivas reações de deterioração.
Figura 1: Representação gráfica da relação entre a aw e suas reações deteriorativas
Fonte: FRANCO, (2015).
A atividade de água é definida como “a razão da pressão de vapor da água no alimento e a pressão de vapor da água pura na mesma temperatura” (FELLOWS, 2006), representada na Equação 1:
P (Pascal) = Pressão de vapor do alimento;
Po (Pascal) = Pressão de vapor da água pura na mesma temperatura. Aw = Atividade de água;
Segundo Martim (2006), a água tem a capacidade de se apresentar de duas formas distintas sobre o material:
• Não ligada: é a mais abundante e é perdida com facilidade à temperatura de bulbo úmido; aw = P
• Ligada: constitui a estrutura do material, realizando ligações com as proteínas, açúcares - para a remoção dessa água são necessárias elevadas temperaturas.
Sobre isso, Oliveira (2005) e Antônio (2002, apud. ARAÚJO, 2010, p.53) apresentam as seguintes definições:
Sabe-se que micro-organismos não podem crescer em alimentos desidratados quando a atividade de água está abaixo de 0,6 (OLIVEIRA et al., 2005). Todavia, abaixo deste valor, reações enzimáticas e químicas continuam acontecendo durante o processo de armazenagem. A atividade de água tem sido um parâmetro usual para determinar o ponto final da secagem visando reduzir a possibilidade de crescimento microbiológico. O conhecimento da atividade de água em função do conteúdo de água dos alimentos desidratados é importante para determinação do tempo de estocagem e para evitar o crescimento microbiano.
Da mesma forma, “Cada microrganismo possui um limite mínimo de atividade de água para realizar as atividades metabólicas, sendo a atividade de água ótima para fungos em torno de 0,7, para leveduras de 0,8 e para bactérias, 0,9” (OLIVEIRA et al., 2006, apud Araújo, 2010). Na Tabela 1, é explicitada a atividade mínima para o desenvolvimento de alguns microrganismos.
Tabela 1:Atividades de água mínima para crescimento e desenvolvimento de alguns micro-organismos
Microrganismos aw Mínima Bactérias 0,91 Staphylococcus aureus 0,85 Leveduras 0,88 Bolores 0,80 Bactérias halófilas 0,75 Bolores xerófilos 0,61 Leveduras osmotolerantes 0,60
Fonte: ICMSF (1980), adaptado pelo autor.
Enquanto que os alimentos podem ser deteriorados rapidamente por microrganismos, as reações químicas e enzimáticas são mais lentas e tendem a ocorrer durante a estocagem do produto, por isso é valido reforçar que o principal fator para a ocorrência desse fenômeno é a quantidade de água presente no alimento (FELLOWS, 2006).
2.3 CINÉTICA DE SECAGEM
A relação entre o teor de umidade do material e o tempo de secagem é denominado de cinética de secagem. Esse termo é utilizado para explicar os mecanismos macroscópicos e microbiológicos da transferência de calor e massa oriundos do processo de secagem. Segundo a
teoria clássica da cinética de secagem, a curva de um material é dividida em dois períodos distintos, chamados de taxa de secagem decrescente e de taxa constante, sendo que o período decrescente pode ser dividido em dois ou mais períodos distintos (ROSA ,2010).
Sobre as taxas de secagem, Rosa (2010) defende que
No período de taxa constante, a temperatura do material permanece à temperatura de bulbo úmido e à pressão parcial de vapor da umidade. Na superfície do material, esta é igual à pressão de saturação do gás secante. Acontece então a vaporização a partir da superfície. Sendo assim, a taxa de secagem é controlada pela difusão do vapor de água através do filme de ar que envolve o material. Ao final do período de taxa constante, a umidade necessita ser transportada do interior da matriz sólida para a superfície por forças capilares. O término deste período é alcançado quando a migração interna de água não conseguir mais suprir a taxa de evaporação da água livre da superfície, sendo o valor de umidade neste ponto denominado de umidade crítica. O valor da umidade crítica é característico de cada material e de fatores que determinam o comportamento da transferência de umidade como: a forma e área superficial da amostra, temperatura, velocidade e umidade relativa do ar de secagem. (ROSA ,2010 p.28)
Após o período de taxa constante, se ocorrer a continuação da secagem, inicia-se a taxa decrescente de secagem. Nesse momento a taxa passa a ser controlada pela velocidade do movimento da umidade através do sólido a partir do gradiente de concentração. Segundo Mujumdar (2006, apud ROSA, 2010, p.23),
A transferência de energia agora será do ar para a superfície e desta superfície, por condução, ao interior do material. Como a condutividade térmica do material seco é relativamente baixa, a taxa de secagem é crescentemente influenciada pela taxa de condução de calor. Entretanto, para produtos com alta densidade e pequeno volume de vazios, a resistência à difusão interna exerce maior influência na taxa de secagem do que a taxa de condução de calor. A taxa de secagem diminui cada vez mais rápido até que a umidade de equilíbrio seja atingida.
Estudar as curvas de secagem e a cinética de secagem é útil para conhecer o comportamento do material ao longo do tempo e assim predizer o tempo de secagem necessário para cada material. Keey (1992) afirma que a determinação das curvas de secagem é obtida a partir de dois métodos principias, sendo o primeiro através da pesagem direta da amostra e o segundo consiste no controle da umidade do ar de secagem do secador (entrada e saída), com a utilização de psicrômetros, higrômetros e outros medidores.
Durante o processo de secagem em sistemas convectivos, a temperatura e a umidade do ar são constantes e o calor transmitido da superfície se dá pelo fenômeno de convecção. No decorrer desse processo, ocorrem etapas distintas e importantes para o entendimento e a realização da
secagem - esses períodos são chamados de indução/estabilização, além do período de taxa decrescente e de taxa crescente. Na Figura 2, são representados os períodos de transferência de calor e massa analisando as relações de transferência na superfície do material e também na parte interna que governa o processo de exaustão da umidade.
Figura 2: Curva típica de secagem - umidade em função do tempo
Fonte: KEEY (1992).
Ao analisar o gráfico da Figura 2, Gurgel (2014) afirma que o trecho AB ilustra o início da secagem no momento em que o sólido é aquecido e avança da temperatura inicial (To) para a temperatura de bulbo úmido (Tbu), enquanto ocorre a evaporação da água livre. No intervalo BC, a temperatura de bulbo úmido e a velocidade de secagem são constantes e essa situação só acaba quando a umidade crítica é atingida pelo sólido. A partir desse ponto, a temperatura se eleva e a taxa de secagem diminui rapidamente. A taxa de secagem decrescente tem seu início no ponto C e se divide em duas zonas, CD e DE, sendo a primeira a zona de secagem insaturada e a segunda se configura no trecho em que ao movimento do líquido interno controla o processo de secagem. Nesse último, o líquido presente no interior do material é evaporado e a secagem termina quando a umidade encontrar o equilíbrio (Ueq), em outras palavras, a pressão de vapor do líquido evapora a pressão parcial de vapor contida na corrente de gás de secagem.
Quando o sistema atingir a umidade de equilíbrio, o sólido não sofre variações de umidade, independentemente do tempo de exposição à secagem, porém as condições do sistema não poderão ser modificadas para que esse conceito seja aplicado (KEEY, 1992). Em seu trabalho, Rosa (2010) apresenta o comportamento da curva de equilíbrio, conforme a Figura 3.
Figura 3: Gráfico de equilíbrio de umidade
Fonte: Rosa (2010), adaptado de Keey (1992).
A mínima umidade que o material pode atingir é a umidade de equilíbrio. Esse ponto de equilíbrio é obtido quando o alimento é deixado por um tempo muito longo em uma condição de temperatura e umidade relativa do ar constante. Nessa condição, a pressão de vapor da superfície do produto é idêntica à pressão parcial de vapor contido no ar de secagem (KEEY, 1992). Salienta-se novamente que as condições de processo de Salienta-secagem podem prejudicar a estrutura do alimento, causando alterações de coloração em virtude do escurecimento enzimático e não enzimático, sendo suscetível também a degradação de nutrientes devido à exposição a um longo tempo de secagem em uma alta temperatura (SILVA et al., 2005). Os elementos relativos à temperatura são abordados a seguir.
2.4 FUNDAMENTOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR
2.4.1 Condução
O fenômeno de condução ocorre em escala molecular. A energia das partículas com maior energia é transferida para as partículas de energia menor a partir da interface do meio. Essa transferência ocorre devido às interações dessas partículas (INCROPERA et al., 2007).
Em meados de 1822, Fourier atribuiu uma expressão para a predição das diferenças de temperatura que se transferem (gradiente de temperatura), para a natureza do meio condutor e para a taxa de transferência de calor. Para isso, Fourier apresentou a Equação (2) (WELTY, 1974):
Onde:
q” sendo o fluxo de calor (Wm-2);
V é o operador diferencial tridimensional;
T (eixos x,y,z) é a temperatura em Kelvin;
k é a condutividade térmica (W m-1K-1) e é característico de cada material a ser utilizado.
2.4.2 Convecção
O processo de convecção acontece entre um fluido em movimento e uma superfície com diferentes temperaturas, ou seja, quando há um gradiente de temperatura entre duas partes. A convecção pode ser dividida em duas classificações a partir da característica de seu fluido - pode ser chama de convecção forçada ou convecção natural. Sendo considerada natural quando a força do movimento do fluido é induzida pelas forças de empuxo, dividida pelas diferenças de densidade ou até mesmo por variações de temperatura. Já a convecção forçada é induzida por forças externas como ventiladores e bombas (WELTY, 1974; INCROPERA et al., 2007).
A transferência de calor por convecção pode ser descrita pela Equação 3 a seguir: 𝑞" = − 𝑘𝛻𝑇 (𝑖𝜕𝑇 𝜕𝑥 + j 𝜕𝑇 𝜕𝑦 + k 𝜕𝑇 𝜕𝑧) (2) 𝑞"𝑐 = ℎ(𝑇 𝑠 - 𝑇 ∞) (3)
Tem-se que: q”c é o fluxo convectivo de calor (W m-2), que é proporcional às temperaturas de superfície (Ts) e do fluido em movimento (T∞) e h é o coeficiente de transferência de calor para cada material.
2.4.3 Radiação
Todos os materiais e substâncias com temperaturas diferentes de zero kelvin têm a propriedade de emitir radiação eletromagnética, em razão da agitação das moléculas e átomos que têm em si associadas as energias internas do material (SIEGEL e HOWELL, 1972). A transferência de calor pela radiação, diferentemente da condução e convecção, não precisa de um material para a ocorrência da transferência de energia, sendo que é capaz de transferir calor de forma eficiente no vácuo. A radiação, para a mecânica quântica, se dá através da propagação de partículas denominadas de fótons (INCROPERA et al., 2007).
Uma visão alternativa para a radiação é a propagação de ondas eletromagnéticas, sendo determinados como parâmetros o comprimento de onda e a frequência, em relação à velocidade da luz do meio em análise, conforme representado na equação 4 (INCROPERA et al., 2007)..
Tem-se que: λ é o comprimento de onda (m), ν é a frequência das ondas (s-1) e c é a velocidade da luz no meio (m/s). Para a propagação no vácuo considera-se c = 2,98.108 m/s.
Dentro do espectro eletromagnético, segundo Incropera (et al., 2007), a radiação térmica está situada entre os comprimentos de onda de 0,1 μm e 100 μm, incluindo parte das faixas do ultravioleta (UV), espectro visível e infravermelho em sua totalidade.
𝜆 = 𝑐
3 METODOLOGIA
Esta seção apresenta os aspectos metodológicos do presente trabalho, destacando a natureza da pesquisa e o processo de análise dos resultados.
3.1 NATUREZA DA PESQUISA
A abordagem metodológica da presente pesquisa é de caráter qualitativo, por considerar aspectos sociais relacionados ao contexto de produção dos dados de pesquisa (GERHARDT; SILVEIRA, 2009). A maior contribuição da pesquisa de cunho qualitativo, de acordo com Denzin e Lincoln (2006, p. 23), é voltar-se para “natureza socialmente construída da realidade”, para a relação pesquisador-objeto e as características situacionais da pesquisa. Os autores definem como:
... uma atividade situada que localiza o observador no mundo. Consiste em um conjunto de práticas materiais e interpretativas que dão visibilidade ao mundo. [...] a pesquisa qualitativa envolve uma abordagem naturalista, interpretativa, o que significa que seus pesquisadores estudam as coisas em seus cenários naturais, tentando entender ou interpretar os fenômenos em termos dos significados que as pessoas a eles conferem. (DENZIN; LINCOLN, 2006, p. 17).
Assim, a pesquisa qualitativa é adequada aos propósitos deste trabalho, por auxiliar na compreensão de aspectos sociais relacionados aos objetos de pesquisa e por possibilitar a construção de sentido em torno dos mesmos. A pesquisa descritiva permite uma visão mais ampla dos problemas (LAKATOS; MARCONI, 2003), e expõe as características de determinada população, estabelece correlações entre variáveis e define sua natureza, explicação. Esse tipo de investigação científica permite, entre outras coisas, descrever as características de grupos relevantes e estimar a porcentagem de unidades numa população específica que exibe determinado comportamento sem o compromisso de explicar os fenômenos; porém, pode servir como base para tal.
Especificamente em termos dos níveis adotados, a presente pesquisa caracteriza-se, primeiramente, como exploratória, por envolver levantamento bibliográfico (GIL, 2008). Em segundo lugar, a pesquisa também se caracteriza como descritiva analítica, por buscar descrever as características dos processos de desidratação de alimentos, destacando os fatores que contribuem para sua atual configuração e suas aplicações (GIL, 2008).
3.2 COLETA DE DADOS
Quanto ao processo metodológico de coleta de dados da pesquisa, a mesma foi estruturada com postura epistemológica de busca de informações apresentadas em estudos e teorias já existentes sobre o tema, aliados com a procura de dados. Bases de dados como SCIELO, a Biblioteca Digital de Dissertações e Teses. Livros publicados também foram utilizados como fonte de dados para a pesquisa.
3.3 PROCEDIMENTOS DE ANÁLISE DE DADOS
Diante da finalidade desta pesquisa, de realizar uma revisão da literatura sobre os processos de desidratação de alimentos, acredita-se que esteja alinhado com a finalidade da pesquisa descritiva: observar, registrar e analisar os fenômenos ou sistemas técnicos, sem, contudo, entrar no mérito dos conteúdos. Nesta pesquisa não haverá a interferência no sentido de buscar explicações acerca dos motivos dos dados pesquisados, mas sim exercer o papel apenas investigadores dos fenômenos e processos e, a partir disso, descrever de modo analítico.
Após a definição e o esboço do projeto foi feita uma busca em sites com bases de dados tais como capes, scielo, universidades, instituições de pesquisas e outros; também foi realizada busca de artigos científicos em revistas, assim como o uso de livros da área de ciências e tecnologia e engenharia para obter informações sobre o tema.
Os textos foram extraídos de sites, revistas e livros encontram-se nos idiomas português e inglês. As principais palavras chaves utilizadas para a pesquisa foram: hortaliças, desidratação, secagem, curva de secagem, spray dyer, liofilização, desidratação de cenoura e desidratação de hortaliças.
O material coletado abrangeu foi analisado e compilado com base na sua relevância e fidelidade ao tema, comtemplando desde os aspectos gerais da desidratação até as conseqüências das alterações sofridas pelas hortaliças durante os processos.
4 RESULTADOS E DISCUSÕES
4.1 CENOURA: UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO DE PROCESSOS DE DESIDRATAÇÃO Segundo a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), Resolução RDC nº 272, “hortaliça é a planta herbácea da qual uma ou mais partes são utilizadas como alimento na sua forma natural”. Em outras palavras, as hortaliças são as partes comestíveis das plantas, como raízes, tubérculos, rizomas, caules, folhas, flores, frutos e sementes (BRASIL, 2005).
As hortaliças são classificadas da seguinte maneira:
[...] verduras, quando utilizadas as partes verdes; legumes, quando utilizados os frutos ou as sementes, principalmente das leguminosas e raízes; tubérculos e rizomas, quando são utilizadas as partes subterrâneas. Essa designação também é utilizada na classificação das hortaliças, baseando-se na parte da planta que é utilizada como alimento. (BRASIL, 2005, p. 8).
A cenoura (Daucus carota L.) é uma das principias hortaliças cultivadas em território brasileiro, sendo mais expressiva sua produção nas regiões Nordeste, Sul e Sudestes. Esta tem vasta aplicação na culinária brasileira, devido a suas características nutritivas, por apresentar uma grande diversidade de possibilidades de consumo e também pertinente a suas características sensoriais de excelente patamar. Sua caracterização como um alimento de importante valor nutritivo se dá pela presença do precursor da vitamina A o β-caroteno, vitaminas do complexo A e B, e também a presença significativa de sódio, cálcio, fibras e potássio (EMBRAPA, 2013).
Segundo Rosa (2010, p. 12), quanto às propriedades da cenoura:
A cenoura é um vegetal sobre o qual se tem especial interesse, já que é altamente nutritiva. Ela contém apreciáveis quantidades de vitaminas do complexo B (B1, B2, B6 e B12) e também importantes minerais (Górnicki e Kaleta, 2007). Este vegetal se destaca principalmente no teor de β-caroteno chegando a ser citado por alguns autores, entre eles Bao e Chang (1994) e Bureau e Bushway (1986), como o alimento da dieta humana com maior teor deste nutriente.
Após o processo de desidratação a cenoura conserva o seu teor original de β-caroteno, sendo esse necessário para a aparência e manutenção do valor nutricional (PRAKASH et al., 2004). Devido a suas características, este componente tem sido utilizado como índice balizador de qualidade, sendo mais importante que a capacidade de reidratação e as características do alimento (Pan et al., 1999).
Consumir diariamente cenoura traz inúmeros benefícios à saúde, pois é importante na manutenção de um bom estado das mucosas e pele. Além disso, a cenoura age melhorando a digestão e também é um importante aliado na prevenção das doenças que causam deficiências na visão (ARAÚJO, 2010).
Um percentual de 45 – 70 % dos carotenoides presentes na cenoura são constituídos pelo β-caroteno, que é agente causador de diversos benefícios à saúde humana. A probabilidade de ataques cardíacos é reduzida pela ingestão de carotenoides, em especial o β-caroteno, pois esse se configura como um antioxidante lipossolúvel que neutraliza os radicais livres e se combina diretamente com eles, potencializando a eficácia do sistema imune (FARIÑA et al., 2007).
O consumo de cenouras é aconselhado devido à importância dos efeitos fisiológicos associados a ela (FARIÑA et al., 2007), entre os quais destacam-se:
• Manutenção da visão e combate aos problemas visuais devido à carência de vitamina A; • O β-Caroteno, em conjunto com a vitamina C, ambos presentes na cenoura, contribuem para reduzir o risco de catarata;
• Conservação e manutenção das membranas mucosas, pele e ossos;
• A cenoura é incluída em dietas de emagrecimento, pois é pobre em calorias e gorduras, além de ser um diurético natural e depurativo, devido à vitamina B6;
• Auxílio ao bom funcionamento do sistema digestivo.
Devido a sua versatilidade e forma de apresentação ao consumidor, é uma das hortaliças com maior popularidade. Dentre as apresentações, merece destaque a possibilidade de serem raladas em diversos tamanhos, cortadas em cubos, fatias, palitos ou até mesmo em forma de mini cenoura, chamadas de "baby-carrot".
Em função das etapas de processamento que sofre na industrialização, a cenoura torna-se suscetível a mudanças fisiológicas e microbiológicas que depreciam a sua qualidade e limitam o seu tempo de vida na prateleira. Por esses motivos a desidratação da cenoura é importante, pois colabora para a manutenção das propriedades originais do alimento (RESENDE, et al., 2004). É
válido destacar a importância de realizar a desidratação de alimentos por meio de técnicas corretas e cientificamente testadas, sendo assim, esse tema tem sido objeto de muitas pesquisas na procura por métodos de secagem que proporcionem poucos efeitos indesejáveis ao alimento.
4.1.1 Aspectos gerais da espécie
A cenoura tem origem no Oriente Médio e é uma hortaliça importante que faz parte do grupo das raízes tuberosas, pois apresenta uma raiz com formato alongado e reto com coloração alaranjada. Na família das hortaliças esta é classificada como sendo um legume, devido a sua parte comestível ser a raiz. Outra maneira de classificação é devido a sua forma e coloração. Filgueira (2008) afirma que
A planta possui ciclo bienal, embora cultivada como anual, é herbácea, apresenta caule pouco perceptível, as folhas são constituídas por folíolos finamente recortados, com pecíolos longos e afinados, formando um tufo de folhas em posição vertical, atingindo cerca de 50 cm de altura. A parte comercializável é uma raiz pivotante, tuberosa, carnuda, lisa, reta e sem ramificações, de formato cilíndrico ou cônico (FILGUEIRA, 2008; p32).
Na Figura 4 são apresentados os principais elementos morfológicos da cenoura.
Figura 4: Morfologia da cenoura
Fonte: Araújo (2010), adaptado pelo autor.
No que tange aos aspectos morfológicos, Araújo (2010) explicita que o caule é a parte que fica acima do solo (parte aérea). Na região situada entre o caule e a raiz existe uma zona de transição
no formato da cenoura que é conhecido como colo. Seguindo no sentido horizontal, à direita da Figura 5 é possivel observar o “ombro”, que é a zona onde se concentram as maiores reservar nutritivas. As lenticelas são definidas como pequenas listras em forma de riscos que tem a finalidade de manter a cenoura fixa ao solo e também absorver minerais e água necessários para o desenvolvimento da planta.
Ainda segundo Araújo (2010), ao realizar o corte seccional de uma cenoura, são identificadas duas partes: o coração e o córtex. A primeira constitui a parte central e é caracterizada como sendo a região que tem mais fibras nesse legume. Já a segunda parte se configura como sendo a zona responsável por conduzir a água e os minerais através da raiz. Na parte inferior, em formado agudo, tem o ápice, que é responsável por ajudar a raiz a penetrar no solo.
As cenouras são classificadas a partir de sua forma, comprimento e coloração, enquadrando-se no grupo alimentar de produtos semiperecíveis, pois, mesmo tendo significativo conteúdo de líquido, apresentam boa estabilidade frente a alterações do meio, devido estreia ligação na água contida em sua matriz sólida. As limitações de durabilidade da cenoura estão ligadas ao tipo de manuseio e armazenamento nela aplicados (EVANGELISTA, 1992).
A melhor condição de armazenamento desta hortaliça, quando in natura, deve ser próximo a 0 °C e com umidade relativa do ar de 90 a 95 %. Mesmo na temperatura ideal, a cenoura pode murchar se a umidade relativa estiver abaixo do ideal (MURAYAMA, 1972). Como resultado de um armazenamento incorreto o legume está sujeito a diversos tipos de apodrecimentos (Alternaria
rancidina), apresentando cores cinzentas ou pretas e amolecimento, chegando até em casos mais
avançados ao desprendimento de líquido (EVANGELISTA, 1992). Evangelista (1992) reforça que para o transporte da cenoura, além da temperatura e umidade adequadas, é importante avaliar a profundidade dos recipientes nos quais é realizado o transporte, pois deteriora com muita facilidade devido a pressão exercida pelas camadas superiores sobre as inferiores.
A principal apresentação de consumo da cenoura é “in natura”, devido ao seu alto valor nutritivo e fácil disponibilidade para o consumidor. No entanto, devido à demanda por alimentos práticos e a mudança do estilo de vida das pessoas, alimentos previamente modificados industrialmente e que possuem qualidade nutritiva preservada são amplamente consumidos. Rosa
(2010) destaca os seguintes aspectos que colaboram para a preferência da utilização da cenoura em processos indústrias:
[...] aumenta a utilização da cenoura como matéria-prima na indústria de alimentos para a obtenção de uma vasta quantidade de produtos como, por exemplo, alimentos infantis, pães e biscoitos, “snacks”, sopas, patês e sucos e também na indústria cosmética. O acréscimo deste vegetal na formulação de alimentos agrega valor nutricional aos mesmos, além de torná-los mais atrativos visualmente pela sua coloração. Na formulação de cosméticos, a cenoura atribui aos produtos propriedades funcionais. A cenoura é também utilizada em cápsulas e suplementos vitamínicos. (ROSA, 2010 p.23).
Para que um alimento como a cenoura possa ser utilizado na indústria como um produto de qualidade é necessária a utilização de processos que alterem minimamente as propriedades originais, por isso é primordial conhecer os seus aspectos nutritivos a fim de determinar processo de pré-tratamento e secagem eficientes. Desse modo, o próximo tópico deste trabalho abordará os aspectos teóricos da constituição nutricional da cenoura.
4.1.2 Aspectos Nutricionais da Cenoura
Na dieta humana, a cenoura se destaca devido ao seu alto valor nutritivo, pois é rica em vitaminas, tais como as do complexo B (B1, B2, B6 e B12), e também em minerais como potássio, fósforo, sódio e cálcio, que são reguladores dos processos vitais para a manutenção do organismo humano (EVANGELISTA, 1992). A Tabela 2 faz uma relação da composição da cenoura in natura.
Tabela 2: Composição para a porção de 100g de cenoura crua
Componente Quantidade Unidade
Calorias 42 kcal Gorduras 0,19 g Carboidratos 10,14 g Fibras 1,1 g Proteínas 1,2 mg Sódio 50 mg Potássio 300 mg Cálcio 39 mg Fósforo 37 mg Ferro 1,2 mg Cobre 0,14 mg Zinco 0,3 mg continua...
continuação... Magnésio 15 mg Iodo 0,009 mg Manganês 0,6 mg Tiamina (vitamina B1) 0,06 mg Riboflavina (vitamina B2) 0,06 mg Carotenóides ativos 2 a 10 mg
Ácido ascórbico (vitamina C) 9 mg
Vitamina E 0,46 mg
Fonte: RIAMBAU (1998)
A cenoura possui uma vasta quantidade de nutrientes importantes para o ser humano e a presença de carotenos na cenoura confere uma importância ainda maior para a alimentação. Rosa (2010) afirma que os seguintes tipos de carotenoides estão presentes na cenoura “...α, β, γ, ζ-caroteno, licopeno e β-zeacaroteno”. Alguns trabalhos como os de Bureau e Bushway (1986) e Bao e Chang (1994) relatam ser a cenoura o alimento com maior teor de β-caroteno (ROSA, 2010 p.24). A Tabela 3 demonstra a concentração média de α e β-carotenos nos vegetais mais populares.
Tabela 3: Concentração média de α e β-carotenos em diferentes vegetais
Vegetais β-caroteno(μg/100g) α-caroteno(μg/100g)
Brócolis 4 - Cenoura 7.900 3.700 Aspargo 449 9 Alface 1.900 1 Tomate 520 - Abóbora 3.100 3.800
Fonte: MAHAN e ESCOTT-STUMP (1996).
Entre a família dos carotenos, o β-caroteno tem maior interesse nutricional e comercial devido a maior capacidade de ser convertido em vitamina A. Bauernfeind (1972) considerou que o β-caroteno contem 100% de atividade de vitamina A e relacionou essa capacidade a atividade dos carotenos presentes. O α-caroteno possui maior potencial vitamínico e representa 50% da atividade (capacidade) vitamínica do β-caroteno. Outra importante função dos carotenos é a sua ação de proteção contra doenças cardiovasculares e como inibidor do câncer, devido as suas características antioxidantes. No meio científico não são unânimes as premissas sobre os
carotenoides, por isso existem controvérsias sobre as suas propriedades e eficiência (BAUERNFEIND, 1972).
Além da promissora ação preventiva de doenças e importante valor nutricional, os carotenos são utilizados como corantes de origem natural, apresentando cores como vermelho, amarelo e laranja (sendo a última predominante nas cenouras). Esses corantes têm alta sensibilidade à luz, à acidez e à temperatura em razão da presença de instaurações em sua estrutura molecular, que os tornam insolúveis em água e solúveis em acetona, álcool e clorofórmio (AMBROSIO et al., 2006).
Os estudos sobre as caraterísticas morfológicas e os aspectos nutritivos das cenouras demonstram a importância de desenvolver metodologias que causem a menor perda possível de suas capacidades nutritivas. Com esse objetivo, a seguir, neste trabalho, são abordadas as técnicas de secagem e suas implicações para a obtenção da cenoura em pó a partir de um processo otimizado e de qualidade.
4.2 POSSIBILIDADES DE TECNOLOGIAS PARA A DESIDRATAÇÃO DE CENOURA A desidratação por spray dryer é mais comumente utilizada na indústria de alimentos devido ao seu baixo custo e a disponibilidade de equipamentos em grande escala, além de proporcionar uma conversão de produtos fluidos em pós de fácil manuseio e aplicação. Uma das etapas mais importantes na prevenção e manutenção das características originais dos alimentos na desidratação por atomização passa pela escolha e aplicação do material de parede (carregadores, encapsulastes) (DESAI; PARK, 2005).
4.2.1 Desidratação por atomização (spray dryer)
O processo de secagem por atomização ou Spray Dryer (SD), utiliza o princípio de atomização de um líquido para criar partículas individuais que são secas quando movimentadas em um meio gasoso aquecido que de modo geral é o ar atmosférico. A formação dessas gotículas aumenta drasticamente a área superficial, criando assim uma alta exposição da umidade ao ar de secagem, potencializando uma rápida secagem (CHEN; ÖZKAN, 2007).
Os primeiros registros de utilização do processo de SD datam de meados de 1865, quando foram realizadas secagens de ovos. Entretanto a patente e o reconhecimento pela descoberta foram
dados a Samuel Percy em 1872, pois esse descreveu em sua patente os detalhes da secagem em forma de pulverização. Industrialmente o SD foi aplicado em larga escala na década de 1990 para o beneficiamento de leite e fabricação de detergentes em pó (MASTERS, 1985). Contemporaneamente esta tecnologia é aplicada a diversos produtos, como pode ser observado no Quadro 1, baseado nos estudos de Zotarelli (2014).
Quadro 1 - Principais aplicações industriais do spray dryer
Indústria Exemplos de aplicações
Química Resinas de fenol-formaldeído, catalisadores, aminoácidos, etc.
Tintas e pigmentos Pigmentos de tintas, corantes para alimentos, dióxido de titânio, etc.
Detergentes e agentes tenso-ativos
Enzimas para detergentes, agentes emulsificantes, alvejantes em pó.
Alimentícia e bebidas Leite, soro de leite, ovo, soja, proteína, café, chá, frutas e vegetais: banana, tomate, leite de coco, etc.
Farmacêutica e bioquímica Penicilina, enzimas, vacinas, algas, antibióticos, extratos de leveduras.
Fonte: Filková (et al. 2006, apud. ZOTARELLI, 2014).
Os processos de SD (BHANDARI et al., 2008; MASTERS, 1985) consistem em quatro etapas principais:
(I) atomização do líquido alimentado; (II) contato gotículas-ar de secagem; (III) evaporação da umidade e de voláteis;
(IV) separação do produto em pó seco do ar - a separação das partículas secas e do gás de secagem geralmente ocorre em ciclones;
Figura 5: Esquema de um spray dryer
Fonte: ZOTARELLI (2014).
Processos de SD modernos são equipados com leitos fluidizados internos ou externos, exercendo o papel de um segundo estágio no processo de secagem, etapa de resfriamento, aglomeração ou também como uma etapa de revestimento de matérias particulados (BHANDARI et al., 2008, apud. ZOTARELLI, 2014). Segundo Masters, (et al.,1985, apud ZOTARELLI, 2014, p. 57), o processo de atomização tem a seguinte proporção:
Durante a atomização, 1 m3 de líquido pode ser dividido em aproximadamente 2.1012 gotas
individuais de diâmetro uniforme de 100 μm e área total superficial de 60.000 m2 e são
essas características que permitem altas taxas de secagem e curtos tempos de residência do produto. O tamanho da gotícula que deixa o atomizador é geralmente dependente da vazão de alimentação, da tensão superficial e da densidade do líquido. Enquanto que a taxa de evaporação durante o SD é influenciada pela diferença de temperatura e de pressão de vapor entre a superfície das gotas e o gás de secagem.
Inúmeros são os parâmetros que exercem influência nas características dos extratos secos produzidos neste tipo de processamento (OI, 2011). O Quadro 2 apresenta de forma resumida os principais parâmetros que influenciam na dinâmica de secagem.
Quadro 2 - Principais variáveis no processo de spray dryer
Variável Influência
Concentração do fluído Maior concentração reduz o calor requerido pelo spray dryer e forma partículas grandes
Vazão de alimentação Vazão alta produz partículas grandes
Densidade Seu efeito varia inversamente ao tamanho da partícula Viscosidade O tamanho da gota varia diretamente com a viscosidade da
alimentação
Temperatura do fluido Aumento da temperatura de entrada diminui o consumo de calor requerido pelo secador
Vazão do ar de secagem Vazão alta, baixo tempo na câmara, consequentemente, alta umidade residual
Temperatura do ar de secagem
Aumento da temperatura provoca a diminuição da densidade do produto
Fonte: MASTERS (1985)
A partir de seus estudos Masters (1985), Bhandari (et al., 2008, apud. ZOTARELLI, 2014, p. 58) apresentam as seguintes vantagens do processo de SD:
[...] as características pré-determinadas dos produtos secos que podem ser produzidos (tamanho, massa específica aparente, teor de umidade) e tipo (pós finos, granulados e aglomerados). Além disso, os produtos secos em pó estão prontos para serem embalados, sem etapa de moagem e a qualidade do pó permanece constante durante todo o ciclo de produção, se as condições de secagem são mantidas constantes. Também se deve considerar a versatilidade do processo, pois o mesmo equipamento pode ser utilizado para uma variedade de materiais líquidos e a operação e a manutenção da planta pode ser totalmente automatizada.
A grande perda de voláteis devido à alta temperatura de operação (mesmo estando na faixa de temperatura de bulbo úmido do ar de secagem) e o alto custo de instalação, são desvantagens do processo de SD. Um fato importante e que deve sempre ser considerado quando for desenvolvido um novo processo de secagem (novo material) é a relação de açúcares do material. Uma vez que produtos que apresentam alto teor de açúcares tendem a ficar pegajosos, aderindo nas paredes do secador, apresentando assim a necessidade de adição de agentes carregadores com a finalidade de minimizar este efeito (FILKOVÁ et al., 2006; TANG, 2007). Bhandari, Datta e Howes (1997, apud. ZOTARELLI, 2014, p. 58), desenvolveram um estudo especificamente sobre a secagem de produtos com alto teor de açúcar.
Os autores explicam que os aditivos utilizados na secagem em SD possuem alta temperatura de transição vítrea, elevando a temperatura de transição vítrea da mistura a ser seca, diminuindo a higroscopicidade e adesividade do produto final. Dessa maneira,
grande parte dos estudos sobre SD de alimentos ricos em açúcares tem sido centrada na escolha de agentes carreadores e das concentrações ideais.
Estudar o efeito de agentes carregadores se tornou uma solução para otimizar a secagem de produtos com alto teor de açúcares. Dentre os principais veículos utilizadas pode-se destacar a maltodextrina, a goma arábica e o amido modificado. O próximo tópico deste estudo irá apresentar considerações sobre o uso destes veículos.
4.2.1.1 Vantagens
O processo de secagem por atomização apresenta diversas vantagens, tais como (MASTERS, 1985; AULTON, 2002):
Seleção adequada do equipamento com base nas características pretendidas para o produto final; o controle da uniformidade e do tamanho das partículas do produto pela manipulação das variáveis do processo.
Processo contínuo, podendo ser alteradas condições de operação sem a necessidade de interrupção; a rapidez e o rendimento - a evaporação ocorre em frações de segundos, em virtude da formação de inúmeras gotículas que proporcionam uma grande área superficial para trocas térmicas e transferência de massa.
Baixa agressividade ao produto, o que a faz apropriada para produtos termossensíveis devido ao curto tempo de contato com a fonte de calor, podendo assim, ser empregada com sucesso na produção de produtos intermediários para fitomedicamentos; as partículas resultantes apresentam forma esférica uniforme e uma rápida dissolução, devido à grande área específica; os custos do processo são baixos; alguns sistemas podem operar em modo de circuito-fechado com um gás inerte para reduzir a oxidação do produto.
4.2.1.2 Desvantagens
Dentre as desvantagens acerca da utilização da técnica de secagem por este método podem ser citadas (BROADHEAD et al., 1992; WENDEL; ÇELIK,1998):
O equipamento apresenta grandes dimensões em escala industrial, necessitando de instalações físicas adequadas.
O custo inicial é alto, pois necessita de investimento em instalações. Porém, o valor do produto final pode justificar o ônus inicial.
4.2.1.3 Agentes carregadores (encapsulantes)
Diversos aspectos precisam ser considerados em relação à otimização de processos de secagem, principalmente utilizando o método de spray dryer, pois esses ajustes e considerações têm relação direta com a qualidade dos produtos e o rendimento do processo. Segundo Tonon (2009) a qualidade dos produtos oriundos do processo de atomização depende das características de transferência de massa e calor, velocidade de secagem, atomizador utilizado, pressão operacional e das temperaturas de saída e entrada do ar. Desse modo, a constituição físico-química do pó produzido tem dependência direta das propriedades do líquido alimentado (concentração de sólidos, viscosidade, vazão e tamanho das partículas), assim como das propriedades de temperatura e pressão do ar de entrada e do tipo de atomização, pois o tamanho da partícula varia conforme a velocidade de alimentação, temperatura de ar de entrada e geometria do bico.
Durante o desenvolvimento do processo de secagem, ao passo que a umidade é retirada, a solução tem um aumento proporcional de viscosidade devido ao acréscimo na sua concentração, podendo ocasionar coesão entre as partículas ou adesão do pó nas paredes do secador, diminuindo o rendimento do processo. Essa tendência à aderência é provocada pela etapa de transição vítrea e pela geração de cargas eletroestáticas no material de secagem (TONON, 2009).
Barbosa (2010, apud NUNES, 2015, p.27) considera as seguintes influências da temperatura de transição vítrea na secagem por spray Dryer:
Na temperatura de transição vítrea (Tg) ocorre transição de uma estrutura vítrea para um estado gomoso. Durante a secagem por spray dryer como ocorre uma rápida remoção de umidade das gotículas do material, o produto obtido apresentará caráter amorfo, ou ainda, com algumas regiões microcristalinas dispersas. Este é um estado metaestável em não equilíbrio que apresenta moléculas desalinhadas/emaranhadas, com a estrutura mais aberta e porosa com alto grau de higroscopicidade, influenciando sobre as características do material desidratado, principalmente em sua tendência a tornar-se pegajoso, acentuando-se mais à medida que este absorve pequenas quantidades de água.
Algumas medidas podem ser tomadas para que se possa evitar os fenômenos de adesão e coesão: redução da umidade e temperatura do ar de entrada, manutenção da saída de ar abaixo de 100 °C, utilização de sistemas de secagem com 2 ou 3 estágios e adição de agentes encapsulares
ou popularmente conhecidos como carregadores. Estes são constituídos em grande parte carboidratos com alto peso molecular que têm por função aumentar a temperatura de transição vítrea do material.
4.2.2 Desidratação por liofilização
Dentre os diferentes sistemas de desidratação que envolvem a redução da quantidade de água de alimentos por congelamento e posterior sublimação, se destaca entre os demais o método de liofilização. Segundo Baruffaldi e Oliveira (1998, p. 23) esse método é caracterizado da seguinte forma: “o termo liófilo significa amigo do solvente, o que define com fidelidade as características dos produtos liofilizados: altamente higroscópicos e de fácil dissolução na água”.
O processo de liofilização em larga escala teve seu início em meados de 1940, primeiramente destinado a produção de plasma e produtos derivados de sangue secos. Posteriormente, antibióticos e materiais biológicos foram produzidos em escala industrial (Barbosa-Cánovas; Vega-Mercado, 1996). Este é ideal para a obtenção de produtos para a indústria farmacêutica, alimentícia e de materiais biológicos, devido à ocorrência do processo ser em moderadas temperaturas. De modo geral, a liofilização ocorre basicamente em duas etapas, a primeira é o congelamento do material, e a segunda se constitui na remoção da água em forma de vapor pelo método de sublimação em câmara de vácuo (Liapis e Bruttini, 2006).
Os produtos liofilizados têm um diferencial muito importante quando comparados com os demais métodos de secagem, que é a rigidez estrutural que a substância congelada atinge quando submetida ao processo de sublimação. Essa evita que a matriz porosa do material presente após a secagem entre em colapso.
Quase que em sua totalidade os produtos desidratados são reidratados a partir da adição de água. Por isso a liofilização mantém a integridade da estrutura original e é um processo vantajoso para material biológico e alimentos, tendo em vista a mínima perda de aroma e sabor. Outra vantagem desse processo é que a operação em baixas temperaturas e a ausência de ar minimizam as modificações dos produtos a partir da degradação, que é um fator de ocorrência normal em outros métodos de secagem (Geankoplis, 2003; Liapis; Bruttini 2006).
Na metodologia de desidratação por liofilização, a primeira etapa consiste em remover a água do material congelado na forma de vapor através de uma câmara de vácuo. O congelamento do produto, a sublimação do gelo e o vapor removido são os passos principais deste método, essas etapas são presentadas no diagrama da Figura 6.
Figura 6: Representação do processo de liofilização
Adaptado de Barbosa-Cánovas et al. (2005)
Como exposto na Figura 7, no topo do liofilizador, em seus pratos aquecidos, é colocado o material congelado, sendo os pratos responsáveis pelo fornecimento de energia para a dessorção e sublimação da água ligada. Em aspectos energéticos, o calor latente necessário para o gelo sublimar é de 2338 kJ/kg e, em sua condução através da camada de material seco ou pela camada congelada, a transferência de calor envolvida ocorre por radiação e condução neste processo de desidratação (GEANKOPLIS, 2003).
4.2.2.1 Fundamentos físicos da liofilização
A maneira na qual uma substância se agrega a outra depende diretamente das condições de pressão e temperatura a qual é exposta, podendo apresentar-se no estado líquido, sólido ou gasoso. Em condições específicas, é possível a existência de mais de um material e mais de um estado físico ao mesmo tempo, um exemplo deste fenômeno é o chamado ponto triplo, situação na qual o
material em dada pressão e temperatura está nos três estados físicos ao mesmo tempo, como mostra a Figura 7.
Figura 7: Diagrama de fases da água
Fonte: OETTERER, 2006.
O ponto triplo da água, segundo Ordóñez (2005), é definido por uma temperatura de 0,0099°C e pressão de 610,5 Pa (4,58 mmHg). Partindo dessa definição, fica evidente que, se a temperatura e a pressão estiverem mais baixas que o ponto triplo, a fase líquida não ocorre, logo todo o processo de liofilização é conduzido em pressões inferiores a 4,58 mmHg, dessa forma não há danos estruturais ao produto devido a presença de água no estado líquido durante o processo.
Na Figura 8 é possivel observar que em pressões superiores a 4,58 mmHg, ao aquecer um material congelado, a água contida em seu interior se fundirá e se tornará líquida, e quando aumentar o fornecimento de calor esse líquido irá evaporar. Em situações em que se fornece calor a um material a uma pressão inferior a 4,58 mmHg, a água desse material passará para o estado de vapor (sublimação). Na prática os processos de liofilização procuram manter o material congelado em temperaturas abaixo de 0 °C (BARUFFALDI; OLIVEIRA, 1998).
4.2.2.2 Transferência de energia e massa
Segundo Baruffaldi e Oliveira (1998), a exemplo dos demais processos de desidratação, a liofilização ocorre através de um processo simultâneo de transferência de calor e massa, como é exposto na Figura 8.
Figura 8: Transmissão de calor na liofilização: a) pela camada seca; b) pela camada congelada; c) geração interna do calor por micro-ondas
Fonte: Baruffaldi e Oliveira (1998).
O fornecimento de calor para a transferência de massa é dado pela diferença de pressão e também a força proveniente do calor fornecido à pressão constante de 4,58 mmHg ao material congelado, nessas condições se inicia a sublimação, que consiste na passagem do sólido para o estado de vapor sem que ocorra a etapa de fusão. A emissão de vapores aumenta a pressão interna do sistema, dificultando a sublimação, ou seja, o material começa a se liquefazer, dessa maneira é necessária a utilização de um condensador para a retenção dos vapores.
O vapor d’água é continuamente removido do alimento mantendo-se a pressão da câmara do liofilizador abaixo da pressão de vapor na superfície do gelo através da remoção de vapor com uma bomba de vácuo e posterior condensação em uma serpentina de refrigeração. À medida que a
