Fracionamento de Polpa de Açaí e
Concentração de Antocianinas utilizando
Membranas Poliméricas
CAROLINA PAVAN BAGAGLI BOROVIK Engenheira de Alimentos
PROF. DR. LUIZ ANTONIO VIOTTO Orientador
Dissertação de mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da UNICAMP para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Alimentos.
Campinas 2010
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ii
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA FEA – UNICAMP
Título em inglês: Açaí fruit pulp fractionation and anthocyanins concentration by using polymeric membranes
Palavras-chave em inglês (Keywords): Açai fruit, Anthocyanins, Fractionation, Polymeric membranes
Titulação: Mestre em Engenharia de Alimentos Banca examinadora: Luiz Antonio Viotto Marcia de Souza Araki Sergio Rodrigues Fontes
Programa de Pós Graduação: Programa Engenharia de Alimentos
Borovik, Carolina Pavan Bagagli
B645f Fracionamento de polpa de açaí e concentração de antocianinas utilizando membranas poliméricas / Carolina Pavan Bagagli Borovik. -- Campinas, SP: [s.n], 2011.
Orientador: Luiz Antonio Viotto
Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos.
1. Açaí. 2. Antocianinas. 3. Fracionamento. 4. Membranas. poliméricas. I. Viotto, Luiz Antonio. II. Universidade Estadual de Campinas.Faculdade de Engenharia de Alimentos. III. Título. cars/bibfea
iii BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Luiz Antonio Viotto Orientador
Dra. Márcia de Souza Araki Membro Titular
Prof. Dr. Sergio Rodrigues Fontes Membro Titular
Prof. Dra. Rosiane Lopes da Cunha Membro Suplente
________________________________________________________ Prof. Dr. Celso Costa Lopes
Membro Suplente
Este exemplar corresponde à redação final da dissertação defendida por Carolina Pavan Bagagli Borovik, aprovada pela Comissão Julgadora em ____/____/____.
iv AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador pela paciência, amizade e ensinamentos; ao CNPq pela concessão da bolsa de estudo; aos colegas do mestrado e do laboratório pela boa convivência e compartilhamento de dúvidas e conhecimentos; ao meu marido pelo apoio, incentivo e companheirismo; aos meus pais e irmãos, por estarem sempre presentes e me incentivarem nos estudos.
v SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS ... viii
ÍNDICE DE TABELAS ... x RESUMO... xii SUMMARY……….. ... xiv 1. INTRODUÇÃO ... 1 2. OBJETIVOS ... 2 2.1. Objetivos Gerais ... 2 2.2. Objetivos Específicos ... 2 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 3 3.1. Açaí ... 3 3.2. Antocianinas ... 6
3.3. Separação por Membranas ... 8
3.3.1. Processos de Separação por Membranas ... 8
3.3.2. Membranas ... 10
3.3.3. Tipos de Processos... 11
3.3.4. Parâmetros Operacionais e de Desempenho da Membrana ... 12
3.3.5. Fenômenos que Limitam o Fluxo... 14
3.3.6. Modelos Matemáticos ... 17
3.4. Aplicação da Tecnologia de Membranas em Açaí e em Processos de Concentração de Antocianinas ... 18
4. MATERIAIS E MÉTODOS... 21
4.1. Matéria-Prima ... 21
vi
4.3. Membranas ... 22
4.4. Equipamentos ... 23
4.4.1. Equipamento em Escala Laboratorial ... 23
4.4.2. Equipamento em Escala Piloto ... 24
4.5. Metodologia Experimental ... 26
4.5.1. Estudos Preliminares: Efeito do uso de enzimas na polpa e escolha da membrana de microfiltração ... 26
4.5.2. Estudo do Tratamento Enzimático da Polpa de Açaí: Planejamento Experimental... ... 26
4.5.3. Fracionamento da Polpa de Açaí ... 27
4.5.4. Metodologia Analítica ... 29
4.5.5. Modelagem matemática ... 30
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 30
5.1. Caracterização da Polpa de Açaí ... 30
5.2. Efeito do uso das Enzimas Celulase e Pectinase na Polpa de Açaí ... 32
5.3. Comparação entre membranas de microfiltração: PVDF 0,2µµµµm e PVDF 150kDa ... 34
5.4. Planejamento Experimental ... 37
5.5. Fracionamento da Polpa de Açaí ... 46
5.5.1. Microfiltração em Escala Piloto... 46
5.5.2. Ultrafiltração ... 51
5.5.3. Nanofiltração ... 57
5.5.4. Comparação dos processos realizados ... 62
5.6. Modelagem Matemática das Curvas de Fluxo de Permeado ... 64
vii 7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ... 70
viii ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Estrutura química das antocianinas. Fonte: MALACRIDA et al., 2006. ... 7 Figura 2. Filtração convencional versus tangencial. Fonte: CHERYAN, 1998) ... 9 Figura 3. Corte transversal de membranas. (a) Anisotrópica; (b) Isotrópica. (HABERT et al.,2006) ... 10 Figura 4. (a) Variação do fluxo de permeado com o tempo devido aos fenômenos de polarização da concentração e inscrustação, em processo com escoamento tangencial. (a) (HABERT et al., 2006); (b) (Marshall & Daufin ,1995). ... 15 Figura 5. Camada polarizada e polarização da concentração. Fonte: CHERYAN, 1998. ... 16 Figura 6. Mecanismos de incrustação. (a) bloqueio completo do poro, (b) bloqueio parcial do poro, (c) formação da torta, (d) bloqueio interno do poro. Fonte: ALVES et al., 2005. . 17 Figura 7. Esquema e foto da unidade em escala de laboratório. ... 24 Figura 8. Esquema da Planta Piloto. ... 25 Figura 9. Esquema de realização de experimentos para o fracionamento da polpa de açaí. A= Alimentação; P= Permeado; R= Retentado. ... 27 Figura 10. Curvas de fluxo de permeado com o tempo, para a membrana PVDF 0,2 µm e diferentes tratamentos enzimáticos da polpa. ... 34 Figura 11. Curvas de fluxo de permeado com o tempo para as membranas PVDF 0,2 µm e 150 kDa. ... 37 Figura 12. Valores experimentais e previstos pelo modelo para a resposta Fluxo de
Permeado a Fc=2. ... 40
Figura 13. Valores Experimentais e Previstos pelo modelo para a resposta Coeficiente de
Retenção de Antocianinas. ... 42
Figura 14. Gráfico de barras que relaciona os ensaios realizados com o valor de fluxo de permeado a Fc=2. ... 43
ix Figura 15. Gráfico de barras que relaciona os ensaios realizados com o valor do Coeficiente de Retenção (CR) de antocianinas. ... 44 Figura 16. Gráfico de barras para as respostas fluxo de permeado e CR (%) para os ensaios 5, 6 e 8. ... 46 Figura 17. Curva de fluxo de permeado com o tempo para o ensaio de microfiltração realizado em escala piloto... 47 Figura 18. Fotografia das frações obtidas no ensaio de microfiltração em unidade piloto. . 50 Figura 19. Curvas de fluxo de permeado para os ensaios de ultrafiltração. ... 52 Figura 20. Curvas de fluxo de permeado para o ensaio de ultrafiltração da etapa de fracionamento (duplicata). ... 54 Figura 21. Fotografia da alimentação, permeado e retentado resultantes do ensaio de ultrafiltração... 56 Figura 22. Curva de fluxo de permeado para o ensaio de nanofiltração (NFI). ... 57 Figura 23. Fotografia da alimentação, permeado e retentado resultantes da nanofiltração (NFI). ... 59 Figura 24. Curva de fluxo de permeado para a nanofiltração realizada a partir do permeado da microfiltração (NFII). ... 60 Figura 25. Fotografia da alimentação, do permeado e do retentado resultantes da nanofiltração (NFII). ... 61 Figura 26. Esquema do fracionamento da polpa de açaí contendo as concentrações de antocianinas resultantes de cada etapa. ... 63 Figura 27. Dados experimentais e modelagem do fluxo de permeado para o experimento MFI. ... 65 Figura 28. Dados experimentais e modelagem do fluxo de permeado para o experimento UFI. ... 65 Figura 29. Dados experimentais e modelagem do fluxo de permeado para o experimento NFI. ... 66 Figura 30. Dados experimentais e modelagem do fluxo de permeado para o experimento NFI. ... 66
x ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1. Composição química do açaí. ... 4
Tabela 2. Membranas poliméricas e algumas de suas características. ... 11
Tabela 3. Características dos processos com membranas. ... 12
Tabela 4. Modelos matemáticos para o comportamento do fluxo de permeado. ... 18
Tabela 5. Membranas poliméricas utilizadas e suas características. ... 22
Tabela 6. Composição físico-química da polpa de açaí. ... 31
Tabela 7. Combinações de concentrações das enzimas celulase e pectinase utilizadas em ensaios de microfiltração com a membrana PVDF 0,2 µm. ... 33
Tabela 8. Valores de fluxo de permeado e coeficiente de rejeição (CR) para as membranas PVDF 0,2 µm e PVDF 150 kDa. ... 35
Tabela 9. Variáveis e faixa de valores estudadas no planejamento experimental. ... 38
Tabela 10. Matriz do Planejamento Experimental, com valores das variáveis reais e codificados, e as respostas. ... 38
Tabela 11. Coeficientes de Regressão para a resposta Fluxo de Permeado a Fc=2. ... 39
Tabela 12. ANOVA para a resposta Fluxo de Permeado a Fc=2. ... 40
Tabela 13. Coeficientes de Regressão para a resposta Coeficiente de Retenção de Antocianinas. ... 41
Tabela 14. ANOVA para a resposta Coeficiente de Retenção de Antocianinas (%). ... 42
Tabela 15. Respostas Fluxo de Permeado e Coeficiente de Retenção de Antocianinas. (Intervalos de Confiança de 95%). ... 45
Tabela 16. Composição das frações obtidas no processo de microfiltração e os valores de Coeficiente de Rejeição. ... 49
Tabela 17. Fluxo de Permedo a Fc=2 e CR(%) para os ensaios de ultrafiltração realizados para o estudo de escolha da membrana. ... 53
xi Tabela 18. Composição da alimentação, permeado e retentado resultantes do ensaio de ultrafiltração... 56 Tabela 19. Composição da alimentação, permeado e retentado obtidos na nanofiltração (NFI). ... 58 Tabela 20. Composição das frações obtidas na nanofiltração (NFII)... 61 Tabela 21. Composição das frações de interesse R3, R2 e R4, resultantes dos processos
seqüenciais descritos... 62 Tabela 22. Valores do parâmetro A do modelo exponencial e dos coeficientes R2 para cada experimento realizado na etapa de fracionamento da polpa. ... 64
xii RESUMO
O açaí é um fruto nativo da região Amazônica de grande interesse nacional e internacional devido não somente ao seu sabor mas, principalmente, por ser um alimento nutricionalmente completo e rico em compostos antioxidantes, entre eles as antocianinas, que estão relacionados à prevenção de doenças. As antocianinas são pigmentos naturais de interesse na indústria de alimentos por sua coloração atraente e funcionalidade, sendo o açaí uma fonte potencial de sua obtenção. A tecnologia de membranas apresenta-se como uma alternativa para a obtenção de compostos bioativos presentes em frutas, uma vez que permite a concentração de compostos sem mudança de fase, a redução do uso de produtos químicos e a proteção de compostos termicamente sensíveis. Neste trabalho, a polpa de açaí foi tratada enzimaticamente para que passasse, em seguida, pelo processo sequencial de micro, ultra e nanofiltração. Foram utilizadas membranas poliméricas planas de diferentes materiais e massa molecular de corte variando entre 0,3 e 150 kDa, e também uma membrana tubular com tamanho de poro igual a 0,2µm. Para o tratamento enzimático foram usadas as enzimas celulase e pectinase e, para que fosse estudada a melhor combinação dos parâmetros de concentração de cada enzima e o tempo de atividade enzimática que resultasse em bom fluxo de permeado na microfiltração em escala de laboratório, realizou-se um planejamento fatorial completo 23. Concluiu-se que o uso de 0,02 % (m/m) das enzimas celulase e pectinase e o tempo de 77,8 minutos de atividade resultou no mais elevado fluxo de permeado, atingindo-se 17,4 kg/m2.h, sendo tal condição aplicada para a realização da microfiltração em escala piloto. Da microfiltração realizada em planta piloto utilizando-se a membrana tubular de polipropileno (0,2µm) obteve-se fluxo de permeado a Fc=1,5 igual a 300 kg/m2.h e coeficiente de retenção de antocianinas igual a 34,5%. O processo de ultrafiltração, que utilizou como alimentação o permeado da microfiltração, resultou em um coeficiente de retenção de antocianinas igual a 94,5%. Nas nanofiltrações foi utilizado como alimentação tanto o permeado do processo de microfiltração como aquele resultante da ultrafiltração, e foram obtidas altas retenções de antocianinas, com valores de coeficientes iguais as 92,2 e 98,6%. Analisando-se os
xiii processos sequenciais realizados, concluiu-se que, considerando o objetivo de obter um composto com elevada concentração de antocianinas e com baixo teor de outros compostos, o retentado resultante da ultrafiltração (posterior à microfiltração em escala piloto) foi o que apresentou maior concentração de antocianinas, de aproximadamente 50 mg/100g, e, ao mesmo tempo, houve considerável redução dos demais componentes presentes na polpa, tais como sólidos, proteínas e gordura.
xiv SUMMARY
The açaí fruit is a native fruit from the Amazon region with a great national and international interest due not only to the good and exotic taste, but mainly because it is a nutritionally complete food, rich in antioxidant compounds, including anthocyanins, which are related to the prevention of diseases. Anthocyanins are natural pigments of interest in the food industry for its attractive color and functionality, and the açai fruit is a potential source from we can obtain it. The technology of membrane is presented as an alternative for obtaining bioactive compounds present in fruits, since it allows the concentration of compounds without phase change, reduces the use of chemicals and protects the thermally sensitive compounds. In this study, the açai fruit pulp was enzymatically treated to pass, then, to a sequencial process of micro, ultra and nanofiltration. It was done by using flat membranes of different materials, and molecular weight cut off ranging from 0.3 to 150kDa, and also a tubular membrane with pore size equal to 0.2µm. For the enzymatic treatment were used pectinase and cellulose enzymes, and it was studied the best combination of the parameters enzyme concentration and time of activity of the enzyme that resulted in a high permeate flux in the microfiltration on a laboratory scale using an experimental design 23. It was concluded that the use of 0.02% (w/w) of the cellulose and pectinase enzymes and 77.8 minutes of activity resulted in the higher permeate flux, reaching 17.4 kg/m2.h, for this reason this condition was applied to the pilot-scale microfiltration. In the pilot-scale microfiltration (using a tubular polypropylene membrane with 0,2µm of the pore size) it was obtained a permeate flux at Fc=1.5 equal to 300 kg/m2.h, and retention coefficient of anthocyanins equal to 34,5%. The ultrafiltration process, that used the permeate of the microfiltration as feed, resulted in a retention coefficient of anthocyanins equal to 94.5%. As feed of the nanofiltration processes it was used the permeate of the microfiltration and also the permeate of the ultrafiltration, and it was obtained high retention coefficient of anthocyanins, which values were equal to 92.2 and 98.6%. Analyzing the sequencial processes, it was concluded that, considering the purpose of obtaining a compound with high anthocyanin content and low content of other
xv compounds, the retentate of the ultrafiltration (after pilot-scale microfiltration) was that showed the higher anthocyanin content (approcimately 50mg/100g) and, at the same time, there was a considerable reduction in the other components present in the pulp, such as solids, protein and fat.
1
1. INTRODUÇÃO
O açaí, um fruto nativo da região Amazônica, é largamente consumido nacionalmente, e tem despertado também, nos últimos anos, interesse internacional não só pelo sabor agradável e exótico, mas também pelos benefícios à saúde a ele associados. Trata-se de um alimento rico em lipídeos, proteínas, vitaminas, minerais e fibras, além de possuir um elevado teor de antocianinas e outros compostos antioxidantes, os quais estão relacionados à prevenção de doenças como as cardiovasculares e o câncer (ROGEZ, 2000)
As antocianinas são responsáveis pela coloração de frutas e vegetais, tais como morango, uva, amora e outras. Além de sua funcionalidade, são consideradas possíveis substitutas dos corantes sintéticos usados em alimentos, devido a sua coloração atraente e solubilidade em água (DEL POZO-INSFRAN et al., 2004), além de serem aditivos com aparente ausência de toxicidade e ambientalmente seguros (FALCÃO, 2003). Porém, existem algumas limitações ao seu uso comercial como o alto custo das matérias-primas e a sua instabilidade frente ao processamento e estocagem dos alimentos.
As antocianinas presentes no açaí podem oferecer uma nova fonte desses pigmentos e, desta forma, o estudo de formas de sua obtenção torna-se importante, visando ao aumento do rendimento, à redução do uso de produtos químicos e à maior estabilidade.
A tecnologia de membranas apresenta-se como uma alternativa aos processos convencionais de obtenção de compostos bioativos presentes nas matrizes complexas de frutas e vegetais, uma vez que, além de permitir a concentração de compostos desejáveis sem mudança de fase, possui vantagens como a redução do custo energético associado ao processo, a redução do consumo de produtos químicos, de água e efluentes, e a conservação de produtos sensíveis termicamente.
Assim, estudou-se a concentração das antocianinas presentes na polpa de açaí através de processos de separação por membranas poliméricas. Para tanto, foi realizado um
2 fracionamento da polpa através de processos seqüenciais de micro, ultra e nanofiltração, para que fossem obtidas frações ricas em antocianinas.
2. OBJETIVOS
2.1.Objetivos Gerais
O objetivo geral deste trabalho foi estudar as condições de tratamento enzimático da polpa de açaí que pudessem proporcionar elevado fluxo de permeado do processo de microfiltração, e ainda realizar o fracionamento dos compostos da polpa de açaí e concentrar antocianinas utilizando várias membranas poliméricas de diferentes materiais e tamanhos de poro.
2.2.Objetivos Específicos
• Estudar o comportamento da polpa de açaí na presença das enzimas pectinase e celulase e avaliar a influência do seu uso no fluxo de permeado na microfiltração;
• Selecionar umas das membranas de microfiltração através da comparação do desempenho de cada uma quanto ao fluxo de permeado e a retenção de antocianinas;
• Utilizar diferentes tamanhos de poro de membrana, diminuindo-os sucessivamente, para que os compostos de maiores massas moleculares fiquem retidos. Analisar os permeados e os retentados de cada processo, para que os compostos sejam identificados e quantificados;
3 • Concentrar antocianinas no retentado final da etapa de fracionamento e
quantificá-las;
• Avaliar o desempenho das membranas utilizadas quanto ao fluxo de permeado e retenção de compostos;
• Ajustar as curvas de fluxo de permeado aos modelos matemáticos.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1.Açaí
A palmeira Euterpe oleracea (Mart.), conhecida como açaizeiro, é nativa da região Amazônica e tem se destacado pela importância econômica para a fruticultura regional (NASCIMENTO et al., 2008). Dentre seus produtos, os principais são o palmito, cuja produção é essencialmente exportada do Estado do Pará, e o açaí, fruto amplamente comercializado regionalmente e, na última década, nas regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste (ROGEZ, 2000). Atualmente, há também um grande interesse estrangeiro no consumo do açaí, sendo que as exportações de polpa em 2006 já ultrapassavam mil toneladas por ano (EMBRAPA, 2006).
Segundo o IBGE (2007), a produção nacional de frutos da palmeira açaí em 2007 totalizou 108.033 toneladas, sendo 6,6% maior que a de 2006. O Estado do Pará, na temporada 2007, concentrou 86,8% da produção nacional.
O cultivo do açaí requer clima tropical úmido. O açaizeiro inicia seu ciclo de produção de frutos com a idade entre 3 e 4 anos. Sua inflorescência é formada por um conjunto de ramos contendo flores masculinas e femininas que, após o desenvolvimento dos frutos, é conhecida por cacho (EMBRAPA, 2006). Cada palmeira produz de 3 a 4 cachos, sendo que cada cacho contém de 3 a 6 kg de fruto ( DEL POZO-INSFRAN et al., 2004).
4
Componente Unidade Quantidade Referência
Água % 85,00 (1) Matéria Seca (MS) % 15,00 (1) Proteínas g/100g MS 13,00 (1) Lipídeos Totais g/100g MS 48,00 (1) Açúcares Totais g/100g MS 1,50 (1) Frutose g/100g MS 0,50 (3) Glicose g/100g MS 1,00 (3) Fibras Brutas g/100g MS 34,00 (1) Fibra Insolúvel g/100g MS 31,50 (2) Fibra Solúvel g/100g MS 2,50 (2) Cinzas g/100g MS 3,50 (1) Potássio mg/100g MS 932,00 (1) Cálcio mg/100g MS 286,00 (1) Magnésio mg/100g MS 174,00 (1) Ferro mg/100g MS 1,50 (1) Ρ-Tocoferol mg/100g MS 45,00 (1) Taninos g/100g MS 0,70 (3) Antocianinas g/100g MS 1,02 (1)
A produção de açaí pelo Estado do Pará, maior produtor e consumidor do Brasil, acontece entre os meses de junho e dezembro, porém a produção varia de acordo com a região. No Estado do Amapá a colheita de frutos é mais acentuada no período compreendido entre janeiro e junho, com picos de produção de fevereiro a abril e, no Estado do Amazonas, vai de janeiro a agosto (EMBRAPA, 2006).
O açaí é um fruto de forma ovalada, de diâmetro de 1 a 1,5 cm, e sua semente corresponde a 83% do fruto, sendo 17% correspondentes a polpa e casca. Possui coloração verde quando ainda está no início do amadurecimento, e roxo-violeta quando já maduro. Quanto a sua composição química, o açaí é rico em minerais, principalmente potássio e cálcio, em fibras, em lipídeos, cujo teor é capaz de suprir cerca de 65% da dose recomendada para um homem adulto (PEREIRA et al., 2002), e em proteínas. Segundo Rogez (2000), o açaí é, ainda, uma fonte α-tocoferol (vitamina E). A Tabela 1 apresenta a composição química do açaí.
Tabela 1. Composição química do açaí.
5 Além de ser um alimento altamente energético e nutritivo, o açaí tem despertado interesse internacional devido aos benefícios proporcionados à saúde (PACHECO-PALENCIA et al., 2007), relacionados, principalmente, a sua elevada atividade antioxidante. Há um interesse crescente em compostos antioxidantes presentes em alimentos, aos quais é atribuída a capacidade de inibir processos de oxidação gerados por radicais livres no organismo e de prevenir algumas doenças, como as cardiovasculares e o câncer (SANABRIA et al., 2007).
O açaí é um fruto que contém quantidades significativas de antocianinas, pigmentos hidrossolúveis que são responsáveis por sua coloração violeta, e pertencem à classe dos flavonóides. De acordo com Pacheco-Palencia et al. (2007), há predominância das antocianinas glicosídeo (202,3 mg/L de suco semi-clarificado) e cianidina-3-rutinosídeo (75,1 mg/L de suco semi-clarificado). Del Pozo-Insfran et al. (2004) identificaram também outros compostos fenólicos na polpa da fruta, como ácido ferúlico, epicatequina, ácido p-hidroxibenzóico e ácido gálico. A capacidade antioxidante do açaí foi determinada por Pacheco-Palencia et al. (2007), sendo igual a 54,4 µmol de equivalente Trolox/mL(µmol TE/mL), valor superior aos encontrados para frutas ricas em antocianinas, como mirtilo (4,6 – 30,5 µmol TE/g) e framboesa (19,2-23,6 µmol TE/g).
Cianidina-3-glicosídeo e cianidina-3-rutinosídeo, antocianinas majoritárias no açaí, possuem massa molecular de aproximadamente 485 e 630Da, respectivamente (POLYPHENOLS).
De acordo com seu Padrão de Identidade e Qualidade, a polpa de açaí e o açaí são produtos extraídos da parte comestível do fruto do açaizeiro após amolecimento através de processos tecnológicos adequados. São classificados conforme a quantidade de sólidos totais em: grosso (Tipo A), que possui 14% de sólidos totais e aparência muito densa; em
médio (Tipo B), que possui de 11% a 14% de sólidos totais e aparência densa; e fino (Tipo C), que contém de 8 a 11% de sólidos totais e aparência pouco densa.
O processamento industrial do açaí envolve as etapas de recepção e seleção dos frutos, pré-lavagem, amolecimento por imersão em água, lavagem, despolpamento e refino. O açaí obtido pode ser imediatamente embalado e congelado, ou passar por tratamento térmico de pasteurização a 80 ºC.
6
3.2.Antocianinas
As antocianinas pertencem à classe dos flavonóides, e são responsáveis pelas cores azul, vermelha, violeta e púrpura associadas a frutas e vegetais (MACDOUGALL, 2002). Os flavonóides são compostos naturais encontrados em uma variedade de alimentos de origem vegetal, pertencem à classe dos polifenóis, e apresentam atividade antioxidante, sendo capazes de modular a atividade de enzimas e afetar o comportamento de muitos sistemas celulares, podendo conferir efeitos benéficos a saúde (RIBANI, 2006). Como corantes naturais, as antocianinas possuem ampla aplicação na indústria de alimentos. Nos últimos anos, tem sido crescente o interesse pelo desenvolvimento de técnicas de obtenção de tais corantes devido, principalmente, às exigências do consumidor por produtos naturais e seguros. Porém, existem ainda algumas limitações, tais como a disponibilidade de matéria-prima produtora de pigmentos na quantidade e na qualidade requerida, a dificuldade na sua purificação, o poder corante reduzido quando comparado aos produtos sintéticos e, principalmente, a baixa estabilidade apresentada pelas antocianinas (STRINGHETA et al.,2000).
Antocianinas são consideradas flavonóides devido a sua estrutura de carbonos C6C3C6 (FENNEMA, 1996), ou seja, dois anéis aromáticos unidos por uma unidade
composta de três carbonos complexados por um oxigênio. Sua molécula é constituída por uma aglicona (antocianidina), um grupo de açúcares e, geralmente, um grupo de ácidos orgânicos (MALACRIDA et al., 2006). A Figura 1 representa a estrutura química de uma antocianina, e o quadro que a segue apresenta as possibilidades de substituição.
As diferenças entre as várias antocianinas estão no número de grupos hidroxílicos, no grau de metilação destes grupos, na natureza e no número de açúcares ligados à molécula e na posição dessas ligações, bem como na natureza e no número de ácidos alifá- ticos e/ou aromáticos ligados ao açúcar na molécula de antocianina (FENNEMA, 1996).
7 Figura 1. Estrutura química das antocianinas. Fonte: MALACRIDA et al., 2006.
Os principais fatores que influenciam a estabilidade das antocianinas são pH, temperatura e presença de oxigênio. São pigmentos relativamente instáveis, e sua estabilidade aumenta sob condições ácidas (FENNEMA, 1996). Em solução, as antocianinas se apresentam em quatro diferentes estruturas, sendo elas o íon flavílio, a base quinoidal, e as pseudobases carbinol e chalcona, cuja predominância de uma ou de outra é função do pH e do tipo de antocianina. O aquecimento durante o processamento e estocagem dos alimentos ocasiona uma rápida destruição das antocianinas; estudos demonstraram que há uma relação logarítmica entre a destruição e o aumento da temperatura (MALACRIDA et al., 2006). Porém, segundo Goffey et al. (1981), é possível que, para algumas antocianinas, o aumento na temperatura favoreça a produção de complexos ou reações de polimerização durante a degradação, aumentando sua estabilidade, como foi observado em estudo realizado com cianidina 3-glicosídio, no qual
8 verificou-se que as amostras apresentaram diminuição do valor L da escala Hunter levemente menor à 38ºC do que a 24ºC.
As antocianinas podem se associar entre si ou com outros compostos orgânicos, como proteínas, taninos, íons metálicos, outros flavonóides e polissacarídeos (copigmentos), formando complexos, caracterizando as reações de auto-associação e copigmentação, respectivamente (FENNEMA, 1996). Tais reações provocam um aumento dos valores de absorbância e deslocamento batocrômico (para o vermelho) no comprimento de onda de absorção máxima na faixa visível do espectro, além de proporcionarem maior estabilidade do pigmento.
A obtenção do pigmento a partir de frutas, vegetais ou resíduos da indústria de alimentos geralmente envolve duas etapas; a primeira de obtenção de um extrato rico em antocianinas, obtido convencionalmente pelo uso de solventes como metanol, acetona e clorofórmio entre outros, e a segunda de purificação e concentração (SOCACIU, 2008).
3.3.Separação por Membranas
3.3.1. Processos de Separação por Membranas
Filtração é uma operação de separação de dois ou mais componentes de uma corrente de fluido, baseada nas diferenças de tamanho, através de um meio poroso capaz de reter partículas sólidas. A utilização de membranas estende esta aplicação, uma vez que inclui a separação de solutos dissolvidos em corrente líquida e a separação de misturas de gases (CHERYAN, 1998).
No processo de separação por membranas existem dois métodos de filtração: convencional e tangencial (crossflow filtration). No método convencional, um fluido escoa perpendicular à superfície da membrana, enquanto que, no método tangencial, o escoamento do fluido é paralelo à superfície da membrana e as altas velocidades
9 possibilitam o arraste dos solutos que tendem a se acumular em sua superfície (CHERYAN, 1998).
Na filtração tangencial, a corrente de alimentação é separada pela membrana em duas correntes: o permeado, que atravessa a membrana, e o concentrado ou retentado, que contém os solutos e sólidos suspensos retidos pela membrana (PAULSON et al., 1985). Trata-se de um método vantajoso quando a corrente de alimentação tem muitos sólidos, ou sólidos que necessitam ser recuperados, por limitar o crescimento da concentração de sólidos na superfície da membrana. A Figura 2 apresenta a comparação entre a filtração convecional versus a tangencial.
10
3.3.2. Membranas
Membrana é uma barreira seletiva que permite a passagem de certos componentes de uma mistura e retém outros. Sua seletividade está relacionada com as dimensões da molécula ou partícula de interesse de separação, ao tamanho do poro, à afinidade entre os componentes da alimentação e o material da membrana e às cargas elétricas associadas (CHERYAN, 1998).
A morfologia da membrana e a natureza do material que a constitui são algumas das características que definem o tipo de aplicação e a eficiência da separação (HABERT et. al., 2006).
Quanto à morfologia, as membranas são classificadas em densas e porosas. São consideradas densas quando o transporte dos componentes envolve dissolução e difusão através do material que a constitui; e porosas quando o transporte dos permeantes ocorre em uma fase líquida contínua através dos seus poros (HABERT et al., 2006). São, ainda, classificadas quanto à variação da densidade ao longo de sua seção transversal em assimétricas ou anisotrópicas, e simétricas ou isotrópicas, como ilustra a Figura 3.
Figura 3. Corte transversal de membranas. (a) Anisotrópica; (b) Isotrópica. (HABERT et al.,2006)
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Material Características
Acetato de Celulose (AC)
Hidrofilicidade, ampla faixa de diâmetro de poro (de MF a OR), resistência a estreitas faixas de pH e temperatura, sensibilidade a
microganismos, baixo custo
Polissulfona (PS)/ Polietersulfona (PES)
Limite de temperatura elevado (superior a 75ºC), ampla faixa de tolerância de pH, diâmetros de poro para MF e UF, boa resistência
química a álcoois, ácidos e hidrocarbonetos halogenados
Fluoreto Polivinilideno (PVDF) Hidrofobicidade, boa resistência química a solventes, bastante utilizada para MF e UF
Polipropileno (PP) Hidrofóbica, resistente a altas temperaturas
As membranas sintéticas são produzidas a partir de duas classes de material: os materiais orgânicos, em sua maioria os polímeros, e os materiais inorgânicos. (HABERT et. al., 2006). Dentre as membranas fabricadas de material inorgânico, destacam-se as cerâmicas, mais utilizadas em processos de micro e ultrafiltração, e que possuem resistência elevada a temperatura, pH, solventes e pressão, além de se mostrarem mais tolerantes a processos agressivos de limpeza e possuírem maior vida útil (CHERYAN, 1998).
A Tabela 2 apresenta os principais materiais poliméricos usados na fabricação de membranas e características de cada um.
Tabela 2. Membranas poliméricas e algumas de suas características.
Fonte: CHERYAN, 1998.
3.3.3. Tipos de Processos
Os processos de separação por membranas podem ser classificados de acordo com a força motriz aplicada para realizar a separação, ou ainda de acordo com o tamanho de partícula ou massa molecular do composto a ser retido. A Tabela 3 contém os principais
12
Processo Pressão Tamanho de
Partículas Retentado Permeado Aplicações
Microfiltração (MF) < 2 bar 0,1 - 5,0 µm Células, Colóides, Materiais em
suspensão
Água, Sais, Micromoléculas, Macromoléculas
Clarificação de bebidas, leite, tratamento de efluentes, pré-tratamentos de nanofiltração e OR
Ultrafiltração (UF) 1-10 bar 1-300 kDa Macromoléculas como proteínas Água, Sais, Micromoléculas Recuperação de proteínas de soro de
leite, degomagem de óleos
Nanofiltração 10-40 bar 100-1000 Da Micromoléculas Água, Sais
Concentração de alimentos, recuperação de corantes, purificação
de compostos
Osmose Reversa (OR) 40-100 bar < 350 Da Solutos Água Tratamentos de água
processos com membranas que utilizam como força motriz o gradiente de pressão, além de apresentar as faixas de pressão e tamanho de partículas relacionadas a cada processo, os compostos presentes no permeado e no retentado, e exemplos de aplicações.
Tabela 3. Características dos processos com membranas.
Fonte: CHERYAN, 1998; HABERT et al., 2006.
3.3.4. Parâmetros Operacionais e de Desempenho da Membrana
Os principais parâmetros envolvidos no processo de separação por membranas e que afetam o fluxo de permeado são: pressão transmembrana, temperatura, velocidade de escoamento e concentração de alimentação.
• Pressão Transmembrana (PTM): é o gradiente entre a pressão do lado do
retentado e do permeado e é calculada pela média da pressão de entrada (Pe) e a pressão de saída (Ps):
13 + = 2 Ps Pe PTM A pressão transmembrana exerce influência positiva no fluxo quando os efeitos da polarização da concentração são mínimos, ou seja, quando as condições são de baixa pressão, baixa concentração de alimentação e altas velocidades de escoamento. Após certo valor de pressão, o fluxo torna-se independente, mantendo-se em um patamar e é controlado pelo efeito de transferência de massa (CHERYAN, 1998).
• Temperatura: exerce influência sobre a densidade e viscosidade do fluido,
ocasionando, em geral, efeito positivo no fluxo de permeado, em processos com pressão controlada. Desta forma, melhores resultados são alcançados quando se trabalha com a maior temperatura possível, respeitando os limites do fluido de alimentação e da membrana (CHERYAN, 1998).
• Velocidade de escoamento: quanto maior a velocidade tangencial, maior será o
fluxo. Devido à turbulência provocada, há arraste dos solutos acumulados na superfície da membrana, diminuindo a camada polarizada.
• Concentração da alimentação: o aumento da concentração da alimentação
ocasiona uma diminuição do fluxo de permeado, uma vez que provoca aumento da viscosidade do fluido.
Os parâmetros utilizados para avaliar o processo de filtração são: fluxo de permeado, fator de concentração da alimentação e coeficiente de rejeição.
• Fluxo de permeado (Jp): massa de permeado pela área de permeação por tempo
14 [kg/m2.h]
• Fator de Concentração (Fc): razão entre a massa de alimentação (Mi) e massa
final de retentado (Mf).
Fc = Mi/Mf (eq.2)
• Coeficiente de Rejeição (CR): medida quantitativa da capacidade que a
membrana possui de reter determinadas partículas e/ou moléculas.
CR = (1 – Cp/Ci)*100 (eq. 3)
Sendo Cp a concentração de um componente no permeado e Ci a sua
concentração na alimentação.
3.3.5. Fenômenos que Limitam o Fluxo
A formação da camada polarizada e a incrustação são os principais fatores limitantes para o uso da tecnologia de membranas, uma vez que implicam no declínio do fluxo de permeado com o tempo. Habert et al. (2006) apresentam a variação do fluxo de permeado com o tempo devido a estes fenômenos através da Figura 4(a).
De acordo com os autores, há uma queda brusca inicial devido à polarização da concentração, seguida pelo fenômeno do “fouling” (incrustação). Marshall & Daufin (1995) definiram três estágio de declínio da curva de fluxo com o tempo (Figura 4 (b)): (I) queda
15 brusca nos primeiros minutos devido à formação da camada polarizada, sendo esta perda de fluxo reversível; (II) continuidade da queda do fluxo devido a incrustação, neste caso irreversível; (III) consolidação da incrustação, com declínio de fluxo bastante lento.
(a) (b) Figura 4. (a) Variação do fluxo de permeado com o tempo devido aos fenômenos de
polarização da concentração e inscrustação, em processo com escoamento tangencial. (a) (HABERT et al., 2006); (b) (Marshall & Daufin ,1995).
A polarização da concentração ocorre quando há aumento da concentração das espécies retidas próximo à superfície da membrana (HABERT et al., 2006), ocasionando resistência ao fluxo de permeado. Esse fato provoca um movimento difusivo dos solutos no sentido de retornar ao seio da solução, que está menos concentrado. Se o sistema é operado em escoamento tangencial, é possível manter um equilíbrio entre a quantidade de soluto que é transportado em direção à membrana, arrastada pelo fluxo de solvente que permeia a membrana, e a quantidade de soluto que se difunde da região próximo à superfície da membrana em direção ao seio da solução (HABERT et al., 2006). A polarização da
16 concentração é considerada reversível e pode ser controlada alterando as condições de operação. A camada polarizada ocorre quando partículas aderem à superfície da membrana, formando uma camada sobre mesma, o que ocasiona um aumento na resistência ao fluxo de permeado. A Figura 5 representa a camada polarizada e a polarização da concentração.
Figura 5. Camada polarizada e polarização da concentração. Fonte: CHERYAN, 1998.
A incrustação ocorre como conseqüência da polarização da concentração. Este fenômeno é irreversível e ocasionado pela adsorção de moléculas na superfície da membrana, resultante da interação físico-química com o material da membrana; pelo entupimento dos poros, causando bloqueio à passagem de solvente/soluto; e pelo depósito de material na superfície da membrana, formando uma “torta” (HABERT et al., 2006). A Figura 6 mostra os mecanismos de incrustação.
17 Figura 6. Mecanismos de incrustação. (a) bloqueio completo do poro, (b) bloqueio parcial
do poro, (c) formação da torta, (d) bloqueio interno do poro. Fonte: ALVES et al., 2005.
3.3.6. Modelos Matemáticos
O comportamento do fluxo de permeado em processos com membranas pode ser descrito através de modelos, como os dois apresentados na Tabela 4, citados por Girard e Fukumoto (2000), que relacionam fluxo com o tempo (eq.4) e com o fator de concentração (eq.5).
De acordo com Girard e Fukumoto (2000), modelos exponenciais, como o apresentado pela eq. 4, geralmente se ajustam bem aos dados experimentais. Tal equação foi aplicada por Constela e Losano (1997) aos resultados dos processos de micro e ultrafiltração de suco de maçã tratado enzimaticamente. Nestes trabalhos foi observado que, mantendo-se a pressão constante, ao ser dobrada a velocidade tangencial, o fluxo de permeado passou de 20,33 para 55,11 kg/h.m² , fator que foi refletido no parâmetro A, que aumentou de 0,014 para 0,069 min-1 .
18 Tabela 4. Modelos matemáticos para o comportamento do fluxo de permeado.
J = Jf + (J0 - Jf) e(-At) J0= fluxo inicial (eq. 4) Jf = fluxo final A= taxa de declínio t= tempo J = J0 – B ln(Fc) J0= fluxo inicial (eq. 5) B= constante dependente do sistema Fc= Fator de Concentração
3.4.Aplicação da Tecnologia de Membranas em Açaí e em Processos de
Concentração de Antocianinas
Nos últimos anos, tem sido crescente o interesse no consumo de alimentos funcionais e nutracêuticos. Os compostos bioativos que tornam um alimento funcional estão geralmente presentes em matrizes complexas de frutas e vegetais e, desta maneira, torna-se importante o estudo dos processos de extração, separação e purificação.
Processos com membranas apresentam algumas vantagens como a maior eficiência energética frente aos processos de destilação, adsorção ou cromatografia; a compatibilidade com uma ampla variedade de solventes e compostos químicos e a preservação de compostos sensíveis termicamente, o que viabiliza sua aplicação na obtenção de compostos bioativos (KUMAR, 2007). Entre os usos da tecnologia de membranas na obtenção destes compostos estão a clarificação, a pré-concentração de soluções diluídas, os fracionamentos de diversas classes de compostos de uma mistura complexa, e a recuperação de compostos. De acordo com Jiao et al. (2004), novos processos com membranas, como a destilação e os processos integrados, vêm sendo desenvolvidos para utilização na concentração de sucos de
19 fruta, com o intuito de melhorar a qualidade do produto obtido e reduzir o consumo de energia.
Fontes et al. (2007) estudaram a microfiltração aplicada à clarificação de suco de açaí utilizando membranas cerâmicas de tamanhos de poro iguais a 0,2 e 0,6 µm, e obtiveram uma boa retenção de partículas (fibras), garantindo uma clarificação satisfatória. Anteriormente ao processo de filtração, o suco foi passado em peneiras de aço inox, garantindo o tamanho médio do material em suspensão. À pressão constante de 3 bar, contrariamente à tendência de aumento de fluxo com o aumento do tamanho dos poros, encontraram-se fluxos menores no processamento com a membrana de maior tamanho de poro. Os autores avaliaram também a influência da pressão no processo, utilizando os valores de 3, 4 e 5 bar, e concluíram que tal fator exerceu influência positiva no fluxo de permeado.
O fracionamento consiste na separação de uma mistura de substâncias nos seus componentes através de determinado processo. O uso de membranas no fracionamento de extratos vegetais e polpas de frutas possui a vantagem de realizar uma extração com apenas a utilização de água, uma alternativa para o uso de solventes e produtos químicos agressivos (KUMAR, 2007). Fracionar é importante uma vez que, devido ao fato de sucos de frutas possuírem elevada quantidade de sólidos e fibras, eles possuem alta viscosidade e, quando submetidos diretamente a processos de membranas com pequenas massas moleculares de corte, como nanofiltração ou osmose reversa, resultam em um baixo fluxo de permeado (JIAO et al., 2004).
Um processo integrado de membranas envolvendo UF, OR e destilação osmótica (DO) foi utilizado por Patil et al. (2007), com a finalidade de separar os componentes e concentrar as antocianinas presentes em rabanete, e sua eficiência quanto ao fluxo e retenção do pigmento foi comparada com os processos aplicados individualmente. Para a ultrafiltração foi utilizada uma membrana de PVDF com massa molecular de corte de 10kDa e pressão de 5 bar; para a osmose reversa utilizou-se uma membrana de poliamida (99% de rejeição de NaCl) e 50 bar de pressão; e para a destilação foi aplicada uma
20 membrana de 0,2 µm, à pressão atmosférica. Todos os processos ocorreram à temperatura de 27°C. Primeiramente, os três processos em questão foram realizados um a um e, posteriormente, foram aplicadas, seqüencialmente, a UF, a OR e a destilação. O processo integrado envolvendo clarificação por UF, pré-concentração por OR e concentração final por DO mostrou ser uma alternativa atraente frente aos processos individuais, uma vez que se atingiu uma maior concentração final de antocianinas (de 0,4 mg/mL a 9,8 mg/mL) em um tempo reduzido de trabalho.
Gilewicz-Lukasik et al. (2007) estudaram a concentração de antocianinas da aronia (black chokeberry), uma fruta nativa na América do Norte que contém aproximadamente 800mg de antocianina/100g de fruta fresca, utilizando a tecnologia de membranas. Para aumentar a eficiência do processo, os componentes de maior massa molecular foram removidos por meio de ultrafiltração realizada em membrana de polissulfona a 1 bar de pressão; o permeado foi utilizado como alimentação no processo de nanofiltração. Para a nanofiltração foram utilizados uma membrana de 500 Da de massa molecular de corte e 12 cm2 de área de permeação e um módulo com volume de alimentação de 310 cm3; os parâmetros de pressão, temperatura e velocidade utilizados foram, respectivamente, 20 bar, 25ºC e 700 rpm. Foi estudada, ainda, a adição de sulfito de sódio (Na2SO3), considerado
um bom extrator de antocianinas. Os autores concluíram que a nanofiltração é eficiente na recuperação de antocianinas provenientes da aronia, sendo que, no caso do uso de sulfito de sódio na solução da fruta, houve retenção de 99% do pigmento, enquanto que, para a solução de aronia pura, a retenção foi de aproximadamente 93%.
Rektor et al. (2003) aplicaram a tecnologia de membranas ao processamento de suco de uva. Primeiramente, o suco foi microfiltrado através de membranas de 0,2µm de diâmetro de poro, o que resultou em um permeado clarificado e estéril; em seguida, tal permeado foi concentrado através do processo de osmose reversa (50 bar e 35 ºC), no qual se obteve 99,5% de retenção de antocianinas.
Através de um processo de nanofiltração no qual a temperatura foi mantida em 20 ºC e a pressão e o fluxo volumétrico de alimentação variaram, respectivamente, entre 20 e
21 40 bar e 1 e 12 L/min, Barrera (2005) concluiu que foi possível obter um concentrado com 93% dos pigmentos antociânicos presentes em suco de cranberries, e que a porcentagem de retenção de antocianinas não foi influenciada pelos parâmetros operacionais utilizados (pressão e fluxo volumétrico de alimentação).
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1.Matéria-Prima
Como matéria-prima deste projeto foi utilizada a polpa de açaí pasteurizada congelada da marca De Marchi. Ao início de cada experimento, a polpa foi descongelada e homogeneizada com o auxílio de um agitador magnético, e foi então utilizada como alimentação dos processos realizados.
4.2.Enzimas
Para a realização do tratamento enzimático da polpa de açaí foram usadas as enzimas pectinase e celulase, de nome comercial Pectinex Ultra-SP e Celubrix-L respectivamente, ambas cedidas pela empresa Novozymes. Tais enzimas são produzidas comercialmente a partir dos microrganismos Aspergillus aculeatus e Trichoderma reesei, respectivamente, e são utilizadas na indústria de alimentos durante o processamento de suco de frutas para reduzir sua viscosidade, além de auxiliar na etapa de clarificação. Possuem temperaturas de atuação entre 25 e 55°C, sendo que a 80°C durante 5 minutos elas são inativadas.
22
4.3.Membranas
A Tabela 5 contém as membranas poliméricas que foram utilizadas nos experimentos, bem como as características de cada uma. As membranas planas são da marca comercial Microdyn-Nadir®.
Tabela 5. Membranas poliméricas utilizadas e suas características.
Processo Material Configuração Tamanho de
poro
Microfiltração PP Tubular 0,2 µm
Microfiltração PVDF Plana 0,2 µm
Microfiltração PVDF Plana 150 kDa
Ultrafiltração PS Plana 100 kDa
Ultrafiltração PES Plana 50 kDa
Ultrafiltração PES Plana 10 kDa
Nanofiltração PES Plana 300 Da
Nos estudos preliminares foram empregadas as membranas de microfiltração de mesmo material, fluoreto de polivinilideno (PVDF), porém com diferentes tamanhos de poros (0,2 µm e 150 kDa). Trata-se de membranas planas, sem necessidade de limpeza (descartáveis).
Na microfiltração realizada em escala piloto foi utilizado um suporte contendo três membranas tubulares de polipropileno (PP) acopladas em paralelo, com necessidade de limpeza para reuso. A membrana tubular utilizada nesta unidade possui área total de permeação igual a 0,038m2, e área da seção transversal igual a 0,72 cm2.
Três membranas de ultrafiltração foram estudadas, sendo uma de polissulfona (PS) e duas de polietersulfona (PES), e para a nanofiltração utilizou-se polietersulfona (PES),
23 todas planas. No caso de membranas planas, a partir de folhas de 1m2, foram cortados discos de 0,08m de diâmetro.
4.4.Equipamentos
4.4.1. Equipamento em Escala Laboratorial
Para os experimentos de microfiltração da etapa preliminar e os de ultra e nanofiltração foi utilizada a unidade laboratorial do Laboratório de Medidas Físicas (LAMEFI) do Departamento de Engenharia de Alimentos, ilustrada pela Figura 7. Esta unidade foi projetada para operar até 40 bar de pressão e é composta por uma célula de filtração encamisada com capacidade de 800 mL, banho termostatizado, manômetro, agitador magnético e cilindro de nitrogênio.
O ajuste da temperatura do fluido no interior da unidade foi feito através de troca térmica com a água contida na camisa, por meio do banho termostatizado. Com o uso do agitador magnético colocado em um suporte perfurado acima da membrana, foi possível proporcionar turbulência, simulando uma velocidade tangencial, a fim de que fossem diminuídos os efeitos negativos da polarização da concentração. A pressão do sistema foi mantida pelo gás nitrogênio armazenado no cilindro.
24 Figura 7. Esquema e foto da unidade em escala de laboratório.
4.4.2. Equipamento em Escala Piloto
Para o experimento de microfiltração da etapa de fracionamento foi utilizada a planta piloto do Laboratório de Medidas Físicas, esquematizada pela Figura 8.
Esta unidade é composta por um tanque de alimentação de aço inox, encamisado e com capacidade para 40L; uma bomba de lóbulos de deslocamento positivo em aço inoxidável AISI 316 com acionamento elétrico do variador de rotações e pressão máxima de 4 bar, marca Netzsch, modelo R47 AM 100; um rotâmetro (400 a 5000 L/h) marca Gemu; válvulas borboletas sanitárias e de controle tipo diafragma com diâmetros de 1”;
V1 – Válvula do cilindro de nitrogênio; M1 – Manômetro 1: fornece a leitura da pressão interna do cilindro de nitrogênio quando V1 está aberta; V2 – Válvula de regulagem: regula a pressão no interior da célula; M2 – Manômetro 2: fornece a leitura da pressão no interior da célula; V3 – Válvula de 3 vias (escape).
25 manômetros (0 a 10 bar) marca Zürich; banho termostatizado e balança digital com capacidade para 20 kg e precisão de 0,001 kg, marca MARTE, modelo LC20.
Há, na unidade, dois pontos de drenagem do sistema, um entre o tanque e a bomba, e outro entre a bomba e o rotâmetro. O ajuste de temperatura da polpa no interior da unidade foi feito através de banho termostatizado, que permitiu a circulação de água quente no interior da camisa. A verificação da temperatura do fluido foi feita utilizando-se um termômetro colocado no interior do tanque. Pressão e vazão foram acertadas através do ajuste simultâneo da válvula diafragma e a rotação da bomba.
Figura 8. Esquema da Planta Piloto.
TQ – tanque de alimentação; VD – válvula diafragma; Mn - manômetros; MB - Membrana; VB - válvula borboleta; Rt – rotâmetro; BB- bomba de deslocamento positivo.
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4.5.Metodologia Experimental
4.5.1. Estudos Preliminares: Efeito do uso de enzimas na polpa e escolha da membrana de microfiltração
Para os estudos preliminares foram realizados ensaios a partir de 400g de polpa de açaí congelada, utilizando-se a unidade em escala laboratorial. No estudo do efeito das enzimas no fluxo de permeado utilizou-se a membrana PVDF 0,2µm e Fc=1,4, enquanto que para o estudo da comparação entre membranas de microfiltração, utilizaram-se as membranas PVDF 0,2µm e PVDF 150kDa, até Fc=2.
A polpa foi descongelada e adicionada ou não da enzima, de acordo com o ensaio a ser realizado. Quando adicionada de enzima, a agitação foi realizada em shaker (modelo TE-421 - Tecnal) durante 1 hora a 25 ºC, sob agitação de 150 rpm. A membrana foi cortada em disco de 8 cm de diâmetro, e acondicionada em água destilada durante 24 horas. Após a montagem da unidade, foi adicionada a polpa e foram ajustadas as condições operacionais: 500 rpm de agitação através do agitador magnético, 25 ºC através de banho termostatizado e 2 bar através de ajuste na válvula do cilindro de nitrogênio. Ao cair a primeira gota de permeado no becker, o cronômetro foi acionado, e a massa coletada foi medida em intervalos de tempo.
4.5.2. Estudo do Tratamento Enzimático da Polpa de Açaí: Planejamento
Experimental
Para avaliar a influência do tratamento enzimático da polpa de açaí no fluxo de permeado do processo de MF foi realizado um planejamento fatorial completo 23 com seis pontos axiais (-α e +α) e três pontos centrais, totalizando 17 ensaios. As variáveis independentes foram a concentração da enzima celulase (x1), a concentração da enzima
27 pectinase (x2) e o tempo de atividade enzimática (x3) (Tabela 9); as respostas foram o fluxo
e o teor de antocianinas no permeado (Tabela 10).
Para execução do planejamento experimental utilizou-se a unidade de laboratório e a membrana de microfiltração PVDF 0,2 µm. Em cada ensaio foram utilizados 200g de polpa de açaí pasteurizada e congelada. Para a realização desse procedimento, a polpa foi descongelada, adicionada de enzimas e colocada em shaker (T=25°C; 150rpm) pelo tempo determinado no planejamento experimental. Foi, então, adicionada à célula laboratorial para início do processo de microfiltração, com agitação de 500rpm. Através do banho termostatizado, o interior da célula foi mantido à temperatura de 25°C, e pressurizada a 2bar, até que se atingisse Fc=2. Para cada experimento foi calculado o fluxo e foram feitas
análises de teor de antocianinas nas frações obtidas, e os dados foram avaliados estatisticamente através do software STATISTICA 7.0 (STATSOFT INC., 2007).
4.5.3. Fracionamento da Polpa de Açaí
O fracionamento da polpa de açaí consistiu em processos seqüenciais de MF, UF e NF, conforme ilustra a Figura 9.
Figura 9. Esquema de realização de experimentos para o fracionamento da polpa de açaí. A= Alimentação; P= Permeado; R= Retentado.
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Microfiltração
A microfiltração foi realizada em unidade piloto, tendo como alimentação 20kg de polpa de açaí tratada enzimaticamente de acordo com os resultados provenientes do estudo descrito no item 4.5.2. Nesta etapa foi utilizado um módulo contendo três membranas tubulares de polipropileno (PP) acopladas em paralelo com diâmetro de poro de 0,2µm, e com área de permeação igual a 0,038m2 e 0,72cm2 de secção transversal.
Previamente, o sistema foi preenchido com água filtrada para que os parâmetros de pressão e vazão fossem ajustados a 1,2 bar e 1,8 m3/h, tais que garantiriam uma velocidade de 7 m/s, valor de velocidade comumente utilizada industrialmente. Em seguida, o sistema foi drenado e, fechadas as válvulas, o tanque foi alimentado com a polpa de açaí. Após isto, os parâmetros de pressão e vazão foram ajustados simultaneamente no equipamento para 1,2 bar e 3,2 m3/h, através do controle da rotação da bomba e o ajuste da válvula de diafragma. Pelo fato do rotâmetro presente nesta unidade possuir calibração para o uso em miscelas e não em soluções aquosas, a medida da vazão foi realizada experimentalmente, coletando-se um volume de polpa em determinado tempo. O valor da vazão precisou ser aumentado (em relação à calibração inicial de 1,8 m3/h para água) pelo fato de não se conseguir fluxo de permeado com a vazão anteriormente estipulada, o que pode ser explicado pelo fato da polpa de açaí possuir composição muito distante da água, já que possui alta concentração de sólidos e elevada viscosidade. Desta maneira, atingiu-se uma velocidade tangencial igual a 12 m/s, valor elevado quando comparado ao valor da velocidade industrial recomendada (7-8 m/s). A temperatura foi mantida em 50°C e o ensaio foi realizado até que se atingisse Fc=1,5.
Após o processo de microfiltração, o retentado foi drenado do sistema, e iniciou-se o processo de limpeza do sistema. Primeiramente, água foi circulada para a retirada do excesso de sujidades. Em seguida, durante 1 hora, houve circulação de solução de NaOH 1%, com coleta de permeado. Após esta circulação, foi utilizada água para o enxágüe da unidade. A membrana foi retirada do sistema e foi imersa em solução de NaOH 2% durante 3 dias, sendo enxaguada com água após esse período.
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Ultrafiltração
Como alimentação da ultrafiltração foi utilizado o permeado do processo de microfiltração (P1). Três ensaios foram realizados nas mesmas condições (T=25°C,
P=5bar), porém com membranas de diferentes massas moleculares de corte, sendo elas Polissulfona (PS) 100kDa, Polietersulfona (PES) 50kDa e PES 10kDa.
Os ensaios foram realizados na unidade em escala laboratorial, utilizando-se 200g de alimentação, até que se atingisse Fc=2. Foram avaliados o fluxo de permeado e a
concentração de antocianinas dos permeados para as três membranas, e foi selecionada aquela que apresentou melhor desempenho quanto o coeficiente de rejeição (CR) de antocianinas e ao fluxo de permeado. O melhor ensaio foi repetido nas mesmas condições, porém com 700g de alimentação, até Fc=4, para que o permeado fosse sequencialmente
utilizado na nanofiltração.
Nanofiltração
O permeado da microfiltração (P1) e o permeado da ultrafiltração (P2) foram
utilizados como alimentação em dois ensaios distintos de nanofiltração.
Para ambos, foi utilizada a unidade em escala laboratorial e a membrana de PES com massa molecular de corte de 300Da, partindo-se de 400g de alimentação, até que se atingisse Fc=2. As condições de pressão, temperatura e agitação foram mantidas em 25°C,
9bar e 500rpm, respectivamente.
Foram calculados os fluxos de permeado com o tempo, bem como foram realizadas análises de composição das frações obtidas.
4.5.4. Metodologia Analítica
As seguintes análises foram realizadas: umidade através de secagem em estufa (nº 920.151ª – AOAC 1997), cinzas através de gravimetria (nº 940.26 – AOAC 1997), acidez
30 por meio de titulação com NaOH (nº 942.15B – AOAC 1997), pH medido em potenciômetro (nº 981-12 - AOAC 1995), lipídios através do método Bligh & Dyer modificado e descrito por CECCHI (2003), proteínas por meio do método Kjeldahl (nº 920.152 – AOAC 1997), açúcares totais através do método Munson-Walker (nº 952.35-36 - AOAC 1997), fibra bruta através da metodologia nº 32-15 descrita pela A.A.C.C (1976), e as determinações de pectina seguiram metodologia descrita por Carré & Haynes (PEARSON, 1970).
A determinação do teor de antocianinas seguiu a metodologia descrita por Lees & Francis (1972). Para tal, a polpa foi adicionada de solução extratora (Metanol: HCl 1,5N) (85:15 v/v), homogeneizada e conservada em geladeira por 12h. Em seguida, o extrato foi filtrado e foi realizada a leitura espectrofotométrica a 535nm.
4.5.5. Modelagem matemática
Os dados experimentais de fluxo de permeado dos experimentos realizados na etapa de fracionamento da polpa de açaí (MFI, UFI, NFI e NFII) foram ajustados aos modelos descritos pelas equações 4 e 5 contidas na Tabela 4. Para o ajuste foi utilizado o programa
Statistica 9.2 (STATISOFT, 2007), sendo obtidos os valores dos parâmetros A e B
presentes nas equações 4 e 5 respectivamente, bem como os valores do coeficiente R2 para cada experimento.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
31 A polpa de açaí congelada utilizada neste projeto foi caracterizada através de análises físico-químicas, realizadas em triplicata, cujos resultados encontram-se na Tabela 6.
Tabela 6. Composição físico-química da polpa de açaí.
Composição Quantidade pH 4,96 ± 0,09 Umidade (%) 91,34 ± 0,06 Sólidos Totais (%) 8,66 ± 0,06 Acidez Titulável (%) 0,14 ± 0,01 Açúcares Totais (%) 1,31 ± 0,09 Proteína (%) 0,82 ± 0,00 Lipídeos (%) 2,95 ± 0,21 Fibra Bruta (%) 3,34 ± 0,11 Pectina (%) 0,43 ± 0,00 Antocianinas Totais (mg/100g) 23,39 ± 0,21 Cinzas (%) 0,37 ± 0,03
A polpa possui 8,66% de sólidos totais, o que a classifica como Açaí Fino ou
Popular (Tipo C), de acordo com o Padrão de Identidade e Qualidade Mínima para Polpa
de Açaí. Tal classificação varia de acordo com o teor de sólidos totais e divide-se em: Açaí
Grosso ou Especial (Tipo A) com teor acima de 14%, Açaí Médio ou Regular (Tipo B),
com teor entre 11 e 14%, e Açaí Fino ou Popular (Tipo C), com teor entre 8 e 11% (BRASIL,2000).
Na composição da polpa de açaí destaca-se a elevada quantidade de fibras, sendo 3,34% de fibra bruta, que compreende celulose, lignina e hemicelulose, e 0,43% de pectina, totalizando 3,77% (43,5% da matéria seca). Selani et al. (2007) analisaram a polpa de açaí quanto ao teor de fibras totais e encontraram o valor de 26,5% da matéria seca, sendo desse
32 valor, 7,3% correspondentes à fibra solúvel (pectina). Já Sanabria et al. (2007) encontraram o valor de 30,9%, sendo 11,6% de fibras solúveis.
Outro valor de destaque na polpa de açaí é o teor de lipídeos, 2,95%, que correspondem a 34% da matéria seca. Segundo Rogez (2000), o óleo de açaí é rico em ácidos graxos mono e poliinsaturados (60 e 14%, respectivamente), o que o caracteriza como benéfico à saúde. Valor próximo para o conteúdo de lipídeos na polpa foi encontrado por Sanabia et al. (2007), 33% da matéria seca. Foram encontrados ainda, na literatura, valores superiores para o teor de lipídeos na polpa de açaí, entre 42 e 48% (VAZ et al., 2003; EMBRAPA, 2006; SELANI et al., 2007).
As diferenças entre os valores encontrados na literatura para a composição química da polpa de açaí podem ser explicadas pela variabilidade do fruto de acordo com a região, época da colheita, tempo de maturação e tipo de processamento. Se comparados os teores de antocianinas na polpa fresca e na polpa pasteurizada e congelada, percebe-se uma significativa diferença. Bobbio et al. (2000) encontraram o valor de 50mg/100g de frutos in
natura, enquanto que o valor encontrado para a polpa congelada utilizada neste projeto foi
de 23,4 mg/100g.
5.2.Efeito do uso das Enzimas Celulase e Pectinase na Polpa de Açaí
Para se conhecer o efeito das enzimas celulase e pectinase, sozinhas ou combinadas, e para determinar a escolha da combinação enzimática a ser usada no estudo de comparação entre duas membranas de microfiltração em unidade de laboratório, foram realizados ensaios com a membrana PVDF 0,2 µm utilizando-se as concentrações das enzimas celulase e pectinase de acordo com a Tabela 7.
33 Tabela 7. Combinações de concentrações das enzimas celulase e pectinase utilizadas em ensaios de microfiltração com a membrana PVDF 0,2 µm.
Ensaio Celulase (% m/m ) Pectinase (% m/m)
1 0 0
2 0 0,1
3 0,1 0
4 0,05 0,05
Para avaliar o efeito destas diferentes combinações no fluxo de permeado, foram plotados os gráficos que relacionam os dados experimentais do fluxo de permeado com o tempo, mostrados na Figura 10 .
Analisando a curva de fluxo para o Ensaio 2, no qual somente foi usada a enzima pectinase na polpa, tem-se que tal tratamento enzimático proporcionou baixos fluxos, cerca de 1,5 kg/h.m2 a Fc=1,4. Este comportamento pode ser explicado pelo fato da polpa possuir maior teor de celulose do que pectina, ou ainda pelo fato das pectinas estarem envoltas e protegidas por outras moléculas, impossibilitando a ação da pectinase.
O comportamento das curvas referentes aos ensaios 1 e 3 foi semelhante a partir de 1 hora de corrida, sendo que em ambos atingiu-se o Fc=1,4 no mesmo tempo, em pouco mais de 4 horas.
Pôde-se perceber que, comparando-se o uso da pectinase e celulase, a celulase mostrou-se mais eficiente, uma vez que proporcionou um fluxo final (a Fc=1,4) 3 vezes superior. Porém, quando se compara o uso da celulase com o uso da polpa sem tratamento enzimático, percebe-se que não há diferença entre as duas condições quanto ao valor do fluxo final, que atingiu 5,5 kg/h.m2.
Quando utilizada uma combinação das duas enzimas (50% cada) no tratamento enzimático da polpa, obteve-se o maior fluxo final (7 kg/h.m2), alcançando-se o Fc desejado a pouco mais de 3 horas de corrida.
