UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA
AGRÍCOLA
OSVALDO CAMPÊLO DE MELLO VASCONCELOS
Desenvolvimento de um dispositivo para a simulação térmica e
monitoramento de mangas (Tommy Atkins)
OSVALDO CAMPÊLO DE MELLO
VASCONCELOS
Desenvolvimento de um dispositivo para a simulação térmica e
monitoramento de mangas (Tommy Atkins)
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Agrícola na Área de Tecnologia Pós-Colheita.
Orientadora: Profa. Dra. BÁRBARA JANET TERUEL MEDEROS Co-orientador: Prof. Dr. JOSÉ DE CASTRO SILVA
CAMPINAS
Este exemplar corresponde à redação final da
Defesa de Tese defendida por Osvaldo Campêlo de Mello Vasconcelos, e orientada
pela Prof.ª Dr.ª Bárbara Janet Teruel Mederos.
Campêlo de Mello Vasconcelos, aprovada pela Comissão Julgadora em 14 de Junho de 2019,
na Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas.
________________________________________________________________ Profa. Dra. Barbara Janet Teruel Mederos – Presidente e Orientador
_________________________________________________________________ Prof. Dr. Douglas Fernandes Barbin – Membro Titular
_________________________________________________________________ Prof. Dr. Sérgio Tonetto de Freitas – Membro Titular
_________________________________________________________________ Prof. Dr. Angel Pontin Garcia – Membro Titular
_________________________________________________________________ Profa. Dra. Marta Helena Fillet Spoto – Membro Titular
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se disponível no processo de vida acadêmica do discente.
À Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) e ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola (FEAGRI) pela oportunidade oferecida para a realização do curso de doutorado.
À Embrapa Semiárido, Univasf, e UFPI pelo apoio técnico e laboratorial dedicado a este trabalho.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
À Instituto Federal do Amapá pelo apoio e liberação para terminar o curso de doutoramento. Às fazendas pela abertura e ajuda a qual foi concebida para o desenvolvimento da pesquisa; À Barbara Teruel Mederos, minha orientadora pelo apoio e dedicação no intuito de promover a pesquisa, e pelo apoio ao meu crescimento profissional; À meu co-orientador José de Castro que me concedeu o tema de pesquisa.
Ào Sergio Tonetto de Freitas, colaborador que atuou de forma efetiva em todas as etapas do meu doutoramento sempre com muita dedicação no intuito de promover a pesquisa, e pelo apoio ao meu crescimento profissional;
Aos meus alunos Dirliane Duarte, Leonardo Calvanti, Thales Azevedo e Marcos Antônio por caminharem nesta jornada ao meu lado.
A Deus, por estar me concedendo a graça de estar terminando um curso de doutorado, aos meus pais por estar sempre ao meu lado. Aos meus irmãos que acompanharam toda esta jornada. A minha família e madrinha que sempre me ajudou e ensinou em toda a minha trajetória, com palavras de conforto.
A minha esposa, Amanda Machado Vasconcelos por me ajudar e ser sempre uma ótima companheira nos momentos mais difíceis.
Aos Professores e colegas de trabalho, Guilherme Ferreira, Pablo Leal, Carlos Matos, José Pereira, Fábio Nelson e Francisco Andrade pelo apoio nesta jornada rumo ao desenvolvimento da pesquisa.
A região do Vale do São Francisco é uma das maiores exportadoras de manga do país, dados de 2017 apontam uma produção de 1.087.091 toneladas de manga, deste total 130 mil toneladas destinadas à exportação e 62 mil toneladas foram destinadas a Europa.No Brasil dentre as variedades existentes, a ‘Tommy Atkins’ é a mais consumida, e também a mais exportada. Entre as causas que provocam perdas de frutos após a colheita, está a falta de processos eficientes de resfriamento e armazenamento.O objetivo deste trabalho foi desenvolver um fruto artificial, que simule o comportamento térmico da casca e polpa de mangas, de forma que possa ser utilizado para monitorar a condição térmica de frutos em tempo real após a colheita. Contudo, foram analisados o comportamento térmico de mangas em três estádios de maturação. Em seguida, desenvolveu-se um modelo matemático de predição do tempo de resfriamento de frutos, através da avaliação das características físicas e químicas do fruto. Obteve-se diferentes parâmetros significativos que através da análiObteve-se de regressão múltipla apreObteve-sentaram coeficientes de determinação até 0,89. De posse dos modelos matemáticos, avançou-se a pesquisa para construção de casca e polpas artificiais. Dois materiais simularam a casca, poliácido lático com 5% de pó de madeira (PLA Wood) e acrilonitrila butadieno estireno (ABS) e preenchimento com três doses de ágar 5, 10 e 15% aos quais foram submetidas as condições de tratamento hidrotérmico ou não, e armazenamento refrigerado. Os resultados mais satisfatórios aconteceram com PLA Wood e as diferentes concentrações de ágar. Os coeficientes de determinação foram todos acima de 0,90 para simular termicamente os frutos de manga nos estádios de maturação dois, três e quatro submetidos ou não ao hidrotérmico mais o armazenamento refrigerado. Identificado a escolha dos materiais, deu-se início a fase de eletrônica e software. O fruto artificial foi construído com sensores eletrônicos para monitoramento de umidade do ar externa, temperatura interna e externa. Sensores de captação de temperatura e umidade foram instalados na superfície, sob superfície e centro do fruto artificial. Os dados foram captados por um Arduino nano e enviado para uma Raspiberry PI. Após a avaliação dos dados, comprovou-se a escolha de casca e polpas artificais. Os resultados possuíram coeficientes de determinação de 0,89 a 0,99 em relação ao comportamento térmico dos frutos de manga em três estádios de maturação. Por fim um software foi desenvolvido para captação dos dados da eletrônica embarcada e através de uma interface homem máquina amigável, foi possível a visualização dos dados coletados e confronta-los com dados dos frutos naturais. O fruto artificial após a validação consegue medir, enviar e armazenar dados de temperatura e umidade com precisão mínima de 0,90.
The region of the São Francisco Valley is one of the largest exporters of mango in the country, the data from 2017 indicate a production of 1.087.091 tonnes of mango, of this total, 130 thousand tons are exported and 62 thousand tons are destined to Europe. In Brazil, among the existing varieties, a “Tommy Atkins” is more consumed, and also more exported. Among the causes that provide fruit losses after harvest is a lack of efficient cooling and storage processes. The purpose of this work was to develop an artificial fruit that simulates the thermal behavior of the skin and flesh of mangoes, so that it can be used to monitor the thermal condition of fruits in real time after harvest. However, the thermal behavior of mangoes was analyzed in three maturation stages. Afterwards, a mathematical model was developed to predict fruit cooling time, through the evaluation of the physical and chemical characteristics of the fruit. Different significant parameters were obtained which, through multiple regression analysis, showed coefficients of determination up to 0.89. With the mathematical models, research for the construction of artificial skin and flesh was advanced. Two materials simulated the mango peel, polyacid lactic acid (PLA Wood) with 5% of wood dust and acrylonitrile-butadiene styrene (ABS) and filling with three doses of 5, 10 and 15% agar were submitted as hydrothermal treatment conditions or not, and refrigerated storage. The most satisfactory results are with PLA Wood and the different agar conscentrations. The determination coefficients were all above 0.90 to thermally simulate the mango fruits in the maturation stages two, three and four, submitted or not to the hydrothermal plus the refrigerated storage. Once the choice of materials was identified, the electronics and software phase began. The artificial fruit was built with electronic sensors to monitor external air humidity, internal and external temperature. Sensors of temperature and humidity capture were installed on the surface, under the surface and center of the artificial fruit. The data were captured by an Arduino nano and sent to a Raspiberry PI. After the evaluation of the data, it was proved the choice of artificial skin and flesh. The results were determination coefficients of 0.89 to 0.99 in relation to the thermal behavior of the mango fruits in three maturation stages. Finally, a software was developed to capture the data of the boarded electronics and through a friendly man machine interface it was possible to visualize the data collected and compare them with natural fruit data. The artificial fruit after validation can measure, send and store temperature and humidity data with an accuracy of at least 0.90.
Figura 1 – Seção 1 – Predicted versus measured (reference) plots from calibration and validation steps. Multiple linear regression of RMSEC (continuous line) and RMSEE (dashed line) data of measured x predicted cooling time for the mathematical models for fruit subjected to the hydrothermal treatment until reaching 12 °C. (A) Linear plot for HT of the measured x predicted cooling time for CT. (B) Physicochemical variables of importance to generate the mathematical model for HT in CT. (C) Linear plot for the HT of the measured x predicted cooling time for ST. (D) Physicochemical variables of importance to generate the mathematical model for HT in ST. (E) Linear plot for NHT of the measured x predicted cooling time for the CT. (F) Physicochemical variables of importance to generate the mathematical model for NHT in CT. (G) Linear plot for the NHT of the measured x predicted cooling time for ST. (H) Physicochemical variables of importance to generate the mathematical model for NHT in ST. Open circle represents predicted mango cooling time. Close circle represents measured mango cooling
time………...…45
Figura 2 – Seção 1 – Cooling time of 'Tommy Atkins' mangoes subjected to cooling at 12 °C at maturity stages two (A, B), three (C, D) and four (E, F) subjected (HT) (B, D, F) or not to hydrothermal treatment (NHT) (A, C, E). Fruit maturity stage was determined based on flesh color and the soluble solids content, according to Santos et al. (2009). Maturity stage 2 is recommended as the harvest maturity, whereas maturity stage 4 indicates a ready-to-eat mango (Santos et al., 2009). Open circle represents mango cooling time based on the fruit surface temperature (ST). Close circle represents mango cooling time based on the fruit center temperature (CT)……….……46
Figure 1 – Seção 2 - Artificial fruits with natural White ABS, Crystal ABS and PLA Wood with concentrations of 5, 10, 15% of agar accommodated in cardboard box……….……….. 54
Figura 2 – Seção 2 – Linear regression between artificial fruit (AF) and ‘Tommy Atkins’ mangoes at maturity stages 2, 3 and 4, subjected or not to thermal treatment……….……….65
Figura 3 – Seção 2 – Thermal analysis of ‘Tommy Atkins’ mangoes at maturity stages 2, 3 and 4 subjected or not to hydrothermal treatment and artificial fruit with PLA Wood skin and flesh containing 15% agar……….………..66
Figura 1 – Seção 3 – Diagrama de blocos do fruto artificial para disposição dos dados ao usuário...78
Figura 2 – Seção 3 – (a) Sensor LM35 inserido sob a casca (sensor 3), centro (sensor 2) e placa (sensor 1). Sensor DHT22 externo, inserido na casca, dimensões do PVC hermético em relação a casca do fruto artificial (23,5 mm lateral e 14 mm fundo) (b) Sensor de temperatura LM35 localizado na placa de monitoramento para medir aquecimento do sistema embarcado...79
Figura 3 – Seção 3 – Sensor DHT22 alocado numa seção da casca de PLA WOOD, juntamente com a chave liga-desliga do hardware e LED indicador de funcionamento...74
Figura 4 – Seção 3 – (a) Layout da placa de circuito impresso. (b) Desenho do circuito transferido para a face revestida de cobre da placa de fenolite. (c) Placa de fenolite corroída e estanhada. (d) Placa finalizada...81
Figura 5 – Seção 3 - (a) Placa encapsulada em tubo de PVC com Arduino nano, Esp8266. (b) – Banco de baterias usadas no projeto...84
Figura 6 – Seção 3 – Projeto finalizado da forma como foi concebido...85
Figura 7 – Seção 3 – Fluxograma do firmware...87
Figura 8 – Seção 3 – Visão geral do sistema desenvolvido...90
Figura 10 – Seção 3 – (a) Menu lateral de navegação da aplicação desenvolvida. (b) Tela de sincronização
da aplicação desenvolvida...93
Figura 11 – Seção 3 – (a) Login do usuário (b) Dados cadastrais do usuário (c) Configuração inicial (d) Locação do posicionamento do FA (e) Configurações individuais dos frutos artificiais selecionados (f) Seleções de variáveis resposta...95
Figura 12 – Seção 3 – (a) Tela inicial do software. (b) Tela de seleção dos frutos artificiais...95
Figura 13 – Seção 3 – Menu de opções, localizado no canto direito da tela...96
Figura 14 – Seção 3 – Gráfico da temperatura do ar, obtida pelo sensor DHT22...97
Figura 15 – Seção 3 – Gráfico da umidade do ar obtido pelo sensor DHT22...98
Figura 16 – Seção 3 – Gráfico da temperatura obtida pelo sensor de temperatura LM35 localizado no centro do fruto artificial...98
Figura 17 – Seção 3 – Gráfico da temperatura obtida pelo sensor de temperatura LM35 localizado na superfície do fruto artificial...98
Figura 18 – Seção 3 – Gráfico da temperatura obtida pelo sensor de temperatura LM35 localizado na placa de circuito...99
Figura 19 – Seção 3 – Cálculo do tempo de resfriamento de frutos de manga ‘Tommy Atkins’ através das características físico-químicas (a) Tempo de resfriamento estimado (b)...100
Figura 20 – Seção 3 –Figuras (a) (c) (e) (g) - Tempo de resfriamento de casca e polpa de mangas ‘Tommy Atkins’ e de casca e polpa do fruto artificial atingirem 12°C. Figuras (b) (d) (f) (h) - Regressão linear do tempo de resfriamento de temperatura de casca e polpa de frutos manga ‘Tommy Atkins’ de três estádios de maturação e da temperatura de casca e polpa do fruto artificial submetido ou não ao tratamento hidrotérmico atingirem 12°C. ...101
Figura 21 – Seção 3 – Influencia da temperatura e umidade do ar nos parâmetros termofísicos de frutos de manga ‘Tommy Atkins’. (a) Temperatura e umidade ar (b) Densidade (c) Calor específico (d) condutividade térmica...103
Tabela 1 – Mercado externo da Manga brasileira: Produção, Valor da Produção e Preço no período de 2011 a 2017. ...20 Tabela 2 – Caracterização termofísicas de frutos...28 Tabela 1 – Seção 1 – Variation range for physicochemical characteristics and cooling time of ‘Tommy Atkins’ mangoes harvested at different maturity stages and subjected (HT) or not (NHT) to hydrothermal treatment prior to refrigerated storage at 12 °C……….…...42 Tabela 2 – Seção 1 – Physical and chemical characteristics of different mango genotypes ………..…43 Tabela 3 – Seção 1 – Calibration and validation of models to predict the cooling time of ‘Tommy Atkins’ mangoes with different physicochemical characteristics subjected (HT) or not (NHT) to hydrothermal treatment……….…...44 Tabela 4 – Seção 1 – Beta (β) coefficients for the calibration model used to predict cooling of fruit subjected (HT) or not (NHT) to hydrothermal treatment………...46 Tabela 1 – Seção 2 – Technical configuration of 3D printer used to print artificial mango skin. ………...………..….53 Tabela 2 – Seção 2 - Physico-chemical parameters of ‘Tommy Atkins’ mango fruits and definition of maturation stage……….56 Tabela 3 – Seção 2 – Correlations between the cooling times for the White ABS skin or flesh of artificial fruits and the cooling time of skin or flesh of ‘Tommy Atkins’ mangoes at different maturity stages (MAT 2, MAT3, MAT4) subjected or not to hydrothermal treatment………58 Tabela 4 – Seção 2 – Correlations between the cooling times for the Crystal ABS skin or flesh of artificial fruits and the cooling time of skin or flesh of ‘Tommy Atkins’ mangoes at different maturity stages (MAT 2, MAT3, MAT4) subjected or not to hydrothermal treatment………59 Tabela 5 – Seção 2 - Correlations between the cooling times for the PLA Wood skin or flesh of artificial fruits and the cooling time of skin or flesh of ‘Tommy Atkins’ mangoes at different maturity stages (MAT 2, MAT3, MAT4) subjected or not to hydrothermal treatment………61 Tabela 6 – Seção 2 – Linear regression analysis between the cooling curves of PLA Wood skin with different agar concentrations and skin or flesh of ‘Tommy Atkins’ mangoes at different maturity stages (MAT2, MAT3, MAT4)………...…....63 Tabela 1 – Seção 3 – Performance de temperatura do sensor DHT22 (adaptada Aosong Electronics Co. Ltd do datasheet)...80 Tabela 2 – Artigo 3 – Performance de umidade relativa do sensor DHT22 (adaptada Aosong Electronics Co. Ltd do datasheet)...80 Tabela 3 – Seção 3 – Especificações dos componentes...85 Tabela 4 – Seção 3 – Beta (β) coeficientes para modelos de calibração de predição do tempo de resfriamento de frutos submetidos ao hidrotérmico (H) e ou não submetidos ao tratamento hidrotérmico (N)...89 Tabela 5 – Seção 3 – Lista de funcionalidades do software presente no servidor...96
1.1.Justificativa ... 16 1.2.Hipótese da pesquisa ... 16 1.3.Objetivo Geral ... 16 1.4.Objetivos Específicos ... 16 1.5.Síntese ao leitor ... 17 2.Revisão Bibliográfica ... 18 2.1 Origem e Variedades ... 18
2.2 Dados sobre a produção de manga e sua relação com Vale do São Francisco... 19
3.Packing House ... 20
4.Efeito da Temperatura nos frutos ... 22
5.Teor de Umidade no fruto ... 24
6.Parâmetros de avaliação físico-química e termofísicos de frutos ... 25
6.1. Parâmetros Físico-químicos de frutos de manga ... 25
6.2.Parâmetros Termofísicos ... 27
7.Sensores eletrônicos para medição de temperatura de frutos na cadeia do frio ... 30
7.1.Problemas com as medições de temperatura ... 31
7.2.Simuladores de casca e polpa de frutos ... 32
8.Desenvolvimento de software computacionais e para telefonia móvel. ... 34
9.Considerações sobre o estado da arte da temática proposta ... 39
10. Seções ... 41
10.1. Seção 1 – Modelagem do tempo de resfriamento de mangas ‘Tommy Atkins’ em função das características físico-químicas dos frutos (Publicado na revista Scientia Horticulturae, 2019) ... 41
10.2. Seção 2 – Desenvolvimento de um prototipo de fruto artificial para monitoramento de temperatura de casca de polpas durante o armazenamento e transporte (Aprovado na revista Postharvest Biology and Technology). ... 49
10.3. Seção 3 – Desenvolvimento de eletrônica embarcada e software para controle e monitoramento de simulador de térmico de mangas ‘Tommy Atkins’. ... 75
11. Discussões ... 112
1 - Introdução
Dados com foco internacional, revelaram que os EUA gastam até US $ 218 bilhões por ano (1,3% do PIB) no cultivo, processamento e transporte de frutos que nunca são ingeridos. No Canadá, estima-se que a comida desperdiçada anualmente custa US $ 25 bilhões, quase 2% do produto interno bruto. O custo total por não gerir a cadeia do frio de frutos de forma precisa em 2012 foi estimado em 160 milhões de dólares (YOUNG, 2012).
A nível nacional, a região do Vale do São Francisco é uma das maiores produtoras de frutos no Brasil. Destaca-se a produção de manga, uva e melão. Dados de produção do instituto brasileiro geográfico e estatístico revela que em 2018 a produção atingiu 812.275 mil toneladas repercutindo num valor de U$ 163.727.73. Apesar da grande produção, cerca de 30% da produção de frutos são desperdiçados (IBGE, 2018).
A produção de mangas no Vale do São Francisco é a mais expressiva dos estados brasileiros, atingindo em 2017 uma produção de 179.601 mil toneladas (ABRAFRUTAS, 2019). Entretanto muito se perde desta produção, onde a principal cultivar produzida é a ‘Tommy Atkins’. Após a colheita a variável temperatura, é o parâmetro mais importante que afeta a deterioração da qualidade do produto, a taxa de amadurecimento e a vida de prateleira. A manutenção da qualidade, no intuito de reduzir perdas, deve atuar na remoção rápida do calor do campo após a colheita através do resfriamento com a temperatura ideal do produto armazenado em toda a cadeia de pós-colheita. Essas operações na unidade de cadeia do frio incluem pré-resfriamento de ar forçado, armazenamento refrigerado, transporte marítimo de longa distância em contêineres refrigerados, transporte em caminhões refrigerados e armazenamento em câmaras refrigeradas antes da distribuição ao cliente final (DEFRAEYE et al., 2017).
A temperatura do ar ou da superfície do fruto é frequentemente monitorada em operações comerciais, em vez da temperatura da polpa do fruto (DEFRAEYE et al., 2015a; JEDERMANN
et al., 2014a, 2014b). As temperaturas do ar ou superfície do fruto, são monitorados por sensor
de rádio frenquência (RFID), que captam mudanças instantâneas nas condições de resfriamento do ambiente, enquanto as temperaturas do centro do fruto ficam para trás devido ao atraso térmico da transferência de calor por condução. Sendo assim, o centro do fruto é o último local para atingir a temperatura definida, sendo o local mais conservador para medir a temperatura (DEFRAEYE et
Para o monitoramento na cadeia do frio de frutos, vários sensores com sistemas de registradores de dados são usados atualmente para medir a temperatura dos frutos. Sensores com fio, geralmente são termopares com pontas sensoras de cobre e constantan, são colocados no centro do fruto para medir a temperatura da polpa (DEFRAEYE et al., 2013). A captação dos dados, podem ser feitas continuamente durante toda a operação da unidade, durante o trânsito, ou na chegada da carga. Esses sensores são equipamentos padrão em contêineres refrigerados e pré-resfriadores. Existem sensores sem fios, registadores de dados auto-alimentada com um sensor incorporado, como iButtons que também têm sido usados para medir a temperatura do centro de frutos (HOANG et al., 2012; DEFRAEYE et al., 2015b; DEFRAEYE et al., 2016). Eles são geralmente colocados na superfície ou no centro do fruto, fazendo uma incisão que agridem e podem promover danos a membrana, acelerando o amaciamento de tecidos, influenciando na redução de açucares totais, acidez do fruto, induzindo reações enzimáticas e atividade microbiana, levando à deterioração do fruto (EAST, 2011; LÜTJEN et al., 2013; HERTOG et al., 2014; JEDERMANN et al., 2014a, 2014b).
Os sensores para medir a temperatura da polpa do fruto são frequentemente instalados em locais de fácil acesso e não medem profundamente dentro de um pallet ou caixa. No entanto estes são os locais críticos em termos de taxas de resfriamento ou altos níveis de etileno. A dificuldade está relacionada pelo fato de que necessita instalar e recuperar os sensores dentro de diferentes
pallets, que além de trabalhoso, necessita de tempo para remoção dos sensores. Para sensores com
fio, além da fiação ser intrusiva, requer muito cabeamento e normalmente é uma conexão com um registrador de dados externo para medições contínuas. Os sensores RFID, por outro lado, lidam com forte atenuação de sinal, especialmente dentro de contêineres de frutos que possuem alta densidade de pallets. A consequência da alta densidade, interfere no encaminhamento de pacotes de dados, que são necessários para monitorar um contêiner refrigerado (JEDERMANN et al., 2014 a, 2014b).
As alternativas criadas atualmente para o prolongamento da vida útil dos frutos, são para reduzir a atividade respiratória através da baixa temperatura e alta da umidade. A temperatura ideal para conservação de mangas possui uma faixa de 10 – 13 °C, sendo inferior, pode ocasionar os danos pelo frio (chilling injury). Se estiver acima do recomendado, as taxas respiratórias aumentam significativamente, contribuindo para o percentual de perdas pós-colheita. Para o mercado de exportação, segundo exigências do departamento de agricultura do governo
americano, faz-se necessário o uso do banho hidrotérmico na manga que consiste na imersão de frutos a 46°C por um período de até 90 minutos. Este tratamento fitossanitário tem como tratativa, a larva das moscas das frutas. Este procedimento é adotado para Europa, Estados Unidos, Japão e Chile (EMBRAPA, 2019). Entretando para questões da temperatura ideal de armazenamento dos frutos, a manga aquecida pode atenuar em alterações em processos metabólicos além de acelerar o estádio de senecência.
Pesquisas buscam o desenvolvimento de materiais sintéticos para simular termicamente frutos. Testes já foram realizados para simulações de laranja e maçã. Entretanto, nestes estudos as simulações não conseguiam representar com alta precisão o comportamento térmico da casca e polpa de frutos como maçã e laranja (CHUNTRANULUCK et al., 1998; De CASTRO et al., 2005a; ALLAIS et al., 2006; VIGNEAULT et al., 2006; DEHGHANNYA et al., 2012; DELELE
et al., 2013a,). A maior exatidão registrada, foram com pesquisas recentes em desenvolver o um
fruto artificial para maçãs que o simulou termicamente apresentando coeficientes de determinação de 0,95 (DEFRAEYE et al., 2017).
Ainda não existem estudos voltados para o desenvolvimento de mangas artificiais para o monitoramento do fruto após a colheita. A dificuldade de definição do perfil de temperatura de casca e polpa destes frutos e as alterações térmicas com o avanço da maturação requerem pesquisas aprofundadas. Os frutos artificiais para manga poderão proporcionar além da redução de perdas pós-colheita um auxílio ao monitoramento de toda a cadeia do frio para armazenamento refrigerado.
Para a construção de câmaras frias a validação se faz necessária, mas o produto é um material sazonal com exceção para o Vale do São Francisco. Desta forma o uso de equipamentos que simulem o comportamento térmico do fruto pode ser uma alternativa para se dimensionar a cadeia do frio e monitorar os frutos, promovendo uma maior redução de perdas, mas poucos estudos existem referentes a esta questão. Com esta problemática, está se desenvolvendo um equipamento que possua o mesmo comportamento térmico de mangas, para que seja possível não só avaliar a cadeia do frio mas também monitorar todo o processo da pós-colheita através do fruto artificial, enviando dados via web e/ou mobile ao produtor e auxilie nas devidas providencias sobre a manutenção do armazenamento de sua produção, podendo ser expandido para várias outras cultivares.
1.1. Justificativa
Devido as perdas na pós-colheita frutos atingirem aproximadamente 30%, este trabalho busca desenvolver um dispositivo capaz de simular termicamente frutos de manga em distintos estádios de maturação submetido ou não ao tratamento hidrotérmico. Este equipamento poderá validar as câmaras frias e fazer o devido controle e monitoramento, promovendo a redução das perdas.
1.2. Hipótese da pesquisa
Dispositivo com eletrônica embarcada, capaz de medir, transmitir, armazenar dados de temperatura e umidade, associado a um software com interface homem maquina amigável, para monitorar os processos térmicos que a manga é submetida, com precisão mínima de 90%.
1.3.Objetivo Geral
Desenvolver um fruto artificial para o monitoramento da temperatura de mangas durante os processos térmicos após a colheita.
1.4.Objetivos Específicos
• Desenvolver modelos de predição do tempo de resfriamento de mangas ‘Tommy Atkins’ em função das características físico-químicas dos frutos.
• Definir os materiais sintéticos que se assemelhem ao comportamento térmico da casca e polpa de mangas ‘Tommy Atkins’ em diferentes estádios de maturação submetidos ou não ao hidrotérmico;
• Construir um sistema composto de hardware e software para monitoramento do comportamento térmico de frutos de manga ‘Tommy Atkins’ em diferentes estádios de maturação.
1.5. Síntese ao leitor
O documento possui uma revisão de literatura identificando os principais pontos da cadeia do frio de mangas. A produção de frutos encaminhas para as casas de embalagem (packing houses) que tem como objetivo a manutenção da qualidade após a colheita do fruto. São elencados os principais pontos que afetam a pós-colheita de mangas como temperatura, umidade, parâmetros fisiológicos e térmofisicos que são amplamente estudados para a manutenção da qualidade. Entretanto, são apontados problemas de instrumentação na medição da temperatura de mangas, aos quais esse trabalho buscar sanar.
As seções identificam etapas para a construção do fruto artificial. A primeira seção, contempla uma experimentação para caracterização do comportamento térmico de mangas em três estádios de maturação submetidos ou não ao tratamento hidrotérmico, analisando diversos atributos de qualidade para desenvolver um modelo matemático de predição de tempos de resfriamento de mangas ‘Tommy Atkins’.
Com a caracterização do comportamento térmico de mangas definidas, a segunda seção, tem o objetivo de definir materiais sintéticos que simulem casca e polpa dos frutos. Os materiais para casca devem ser comercialmente utilizados em impressoras em 3D. Quanto a polpa, deve ser testado diferentes concentrações de géis de ágar para que possa avaliar o comportamento térmico do dispositivo em relação aos frutos naturais.
A seção seguinte, tem o intuito de construir um hardware, capaz de medir umidade externa e temperatura interna e externa do dispositivo e enviar os dados para um software de interface homem máquina amigável. Desta forma, o usuário terá condições de tomar decisões a respeito do fruto armazenado, assim como o ambiente a qual está condicionado o fruto artificial.
2.Revisão Bibliográfica
2.1 Origem e Variedades
A mangueira (Mangífera indica L.) pertence à família das Anacardiáceas tendo origem na Ásia Meridional e Arquipélago Indiano. A planta é nativa do Ceilão e regiões do Himalaia, com relatos em florestas. A primeira difusão desde a região de origem foi feita pelo chinês HwenTisang que, visitando o Indostão, entre 622 e 645 a.C., levou a manga para outras nações. O Brasil foi o primeiro da América a cultivar a mangueira sendo trazida pelos portugueses no século XVI e plantada no Rio de Janeiro, de onde difundiu-se para todo o país, por volta de 1700 em Itamaracá na Bahia, às Antilhas em 1742 e depois ao México juntamente com o cafeeiro (SIMÃO, 1971).
A produção de manga e o comércio internacional estão se expandindo gradualmente (THARANATHAN et al., 2006; SINGH et al., 2013). Atualmente, a Ásia é a principal produtora, com uma produção de 34,6 milhões de toneladas, contribuindo com cerca de 74,30% da produção global de manga pelos países líderes na América (13%; 4 milhões de toneladas), África (11%; 3 milhões de toneladas) e Oceania (0,10%; 0,04 milhão de toneladas). Entre as variedades de manga produzidas no mundo, as cultivares comerciais de manga mais dominantes são Tommy Atkins, Haden, Ataulfo, Kent, Keitt e Alphonso (LIMA NETO 2009; LAWSON et al., 2019; NTSOANE
et al., 2019).
No que se refere à exportação a Alemanha e os países do norte expressam preferência pela variedade Tommy Atkins, a qual é vigorosa e precoce, apresentando uma copa muito densa, elevada produtividade, regularidade na produção, considerável resistência a impactos mecânicos e tolerância à deterioração que ocorre imediatamente depois da colheita. Essa variedade no Vale do São Francisco é possível obter duas safras no ano, devido a intensa radiação solar e condições climáticas favoráveis. Este genótipo, atendem os principais mercados internacionais em virtude de alguns atributos, como a coloração atraente, rendimento e, sobretudo a considerável resistência ao transporte e ao apodrecimento.
Segundo Almeida (2005), o cultivo de mangas é uma das principais atividades do agronegócio frutícola do país. No Nordeste, a região do Vale do São Francisco é a que mais exporta manga, destacando-se cidades como Petrolina-PE e Juazeiro-BA.
2.2 Dados sobre a produção de manga e sua relação com Vale do São Francisco
A Índia é o maior produtor mundial de manga com mais de 42% do total. O Brasil é o sétimo, representando 3% do total produzido no mundo (FAO, 2012). Na América do Sul, o maior concorrente brasileiro é o Peru, que em 2010 exportou cerca de 100 mil toneladas de manga, o que gerou uma receita de exportação de aproximadamente US$ 90 milhões. Em 2011, houve um forte crescimento tanto na quantidade exportada (124 mil toneladas) quanto na receita (US$ 115 milhões); quase 30% de variação positiva (LIMA, 2013).
No Brasil a produção de mangas no ano de 2017 chegou a 1.087.091 toneladas gerando uma receita de exportação e mercado interno de R$ 984.294.000. Os principais estados participantes desta marca foram a Bahia e Pernambuco com a participação de 74,72% desta marca histórica (IBGE, 2017).
No Brasil, a área plantada com manga no Submédio do Vale do São Francisco superou os 34.000 hectares em 2017, sendo aproximadamente 70% desse total produzidos no Estado da Bahia. A produtividade média é aproximadamente 20 toneladas por hectare, sendo superior à média nacional de 16 toneladas (IBGE, 2017). Na região, a produção de frutas, com reconhecida qualidade superior, é destinada, em sua maior parte, ao mercado externo. Oscilações na economia dos países europeus e nos Estados Unidos, combinado com uma melhoria da renda dos brasileiros, tem levado a um aumento na quantidade de frutas destinadas ao mercado interno. Porém, o principal destino da produção ainda é o mercado externo.
Os municípios de maior produção são Juazeiro-BA e Petrolina-PE, nos quais as variedades híbridas americanas, principalmente a Tommy Atkins, já representa 78,8% das áreas destinadas à produção de manga no semiárido (CODEVASF, 2015).
Em 2011 com o avanço no sistema de produção utilizando de tecnologias como fertirrigação, aplicação de hormônios tais como o PBZ (Paclobutrazol) no intuito de induzir a floração, houve um novo aumento no volume exportado de manga. Com relação ao valor das exportações, este aumentou fortemente, ultrapassando a marca dos US$ 140 milhões. Foi a primeira vez que o setor se torna líder no ranking de exportações (US$) de frutas brasileiras, ultrapassando a uva de mesa e o melão. Com o passar dos anos este produto se consolidou conforme a tabela 1 (ALICEWEB/MDIC, 2012).
Tabela 1 – Mercado externo da manga brasileira: Produção, Valor da Produção e Preço no período de 2011 a 2017.
Ano US$ FOB Toneladas
(mil) 2011 140.910,32 126.430 2012 137.588,91 6 127.000 2013 147.481,60 4 122.010 2014 163.727,73 2 133.030 2015 184.342,37 5 156.340 2016 179.932,10 0 154.211 2017 205.111,15 179.601
Fonte: ALICEWEB/MDIC, 2012; IBRAF, 2015; MAPA, 2016; ABRAFRUTAS, 2019.
Toda a produção foi possível devido as condições meteorológicas favoráveis, agregado aos melhores preços pelo produto no mercado internacional com baixos custos de produção (ALICEWEB/MDIC, 2012).
Conhecer o mercado internacional vem sendo um desafio para os produtores brasileiros de frutas frescas que, cada vez mais, querem conquistar uma fatia desse atraente canal de comercialização. O Brasil, em função de suas condições climáticas, apresenta um enorme potencial para se tornar um dos maiores polos produtores de frutas frescas do mundo (Ibraf, 2008). Entretanto o mercado de exportação requer frutos com tratamento fitossanitário contra insetos, e que exigem diversas técnicas como uso da fumigação, brometo de metila, fosfina, HCN e temperatura. No mercado de exportação destinado aos Estados Unidos, Europa e Oceania, utiliza-se a elevação de temperatura em água quente para sanitização dos frutos contra as moscas das frutas (DEFRAEYE et al., 2016).
Para armazenar toda esta produção e poder aguardar a melhor situação do mercado para a venda com maior obtenção de lucro, é necessário monitorar a temperatura dos frutos que estão armazenados em camaras regrigeradas nos chamados Packing Houses.
3. Packing House
A packing house é conhecido popularmente como casa de embalagem. Trata-se de uma unidade de beneficiamento frutas e hortaliças, onde se possa condicionar o produto por certo período de tempo. Sabe-se que na região do Vale do São Francisco as perdas nos packings houses
são de 3,9% (RIBEIRO et al., 2014).
Nos packing houses são desenvolvidas algumas atividades tais como: limpeza dos frutos; desinfecção dos frutos; seleção, pesagem, classificação dos frutos, embalagem e armazenamento (CHITARRA e CHITARRA, 2005)
Para as condições de manga as câmaras refrigeradas ambientam-se com temperatura entre 10 e 13°C com umidade entre 85 e 90%. A pilha de caixas não deve ultrapassar o limite do pallet e tornar-se desalinhada. Utiliza-se geralmente pallets com 12 caixas na base e 20 na altura. A amarração deve ser feita com fitas para arqueação, colocando-se cantoneiras. Os pallets possuem dimensões de 0,98 x 1,18 m e altura máxima de 2,20 m (LIMA et al., 2009).
O carregamento dos containers (capacidade 20 pallets) deve ser feito de forma rápida e em local construído especialmente para este fim, lembrando-se de separar os pallets pelo grau de maturação e armazena-los sempre com produtos de mesma fase de maturação no caso de produtos climatéricos. Durante o transporte é imprescindível a renovação do ar dentro dos containers. As condições de higiene do transporte são muito importantes para garantir a sanidade e inocuidade do produto (BATISTA et al., 2016).
Diante disso, a climatização dos ambientes na etapa pós-colheita, em packing houses, é de grande importância, uma vez que influenciam a qualidade final dos frutos em termos de durabilidade, preservação das características físico-químicas e desenvolvimento de doenças na pós-colheita (BACHMANN e EARLES, 2000; LOBO, 2004; CENCI, 2006).
Pesquisas desenvolvidas em packing houses de pequeno, médio e grande porte na região do Vale do São Francisco, constataram que o setor de seleção, pré-resfriamento e câmara refrigerada não possui temperaturas ideais para mangas e uvas. Deficiências na qualidade dos materiais de construção das instalações e a heterogeneidade da temperatura e umidade do ar dentro dos ambientes agravam as perdas pós-colheita. Sensores RFID foram desenvolvidos para sanar os problemas, entretanto de forma momentânea e de curta distância. Problemas com locação e quantidade de sensores de temperatura e umidade no ambiente e nos pallets, contribui para ineficiência da uniformidade de temperatura. Além da má distribuição de sensores dentro das embalagens, o posicionamento e altura dos pallets podem provocar danos por frio ou aceleração do processo de amadurecimento (DEHGHANNYA et al., 2012; DEFRAEYE et al., 2016; DEFRAEYE et al., 2017; VASCONCELOS et al., 2017; WU et al., 2018; DACANAL et al., 2018;
VASCONCELOS et al., 2018; De MELLO VASCONCELOS et al., 2019a).
Acredita-se que com a adequação das instalações para armazenamento de manga e uva no Clima Tropical Semiárido, a produção possa ainda aumentar. Nos últimos anos, constata-se a preferência dos produtores em fornecerem manga para mercado nacional em relação ao internacional, devido a simplificação da estrutura agrícola e do controle necessário na etapa pós-colheita, à facilidade de inserção dos frutos no mercado, e a valorização pelo consumidor nacional.
4. Efeito da Temperatura nos frutos
Estudos demonstram que proporcionar aos produtos hortifrutícolas as condições ótimas de temperatura e umidade relativa são fundamentais para garantir a qualidade da pós-colheita. Sendo todas as outras tecnologias empregadas como complemento para controle da temperatura e umidade. Dessa forma é necessário arrefecer rapidamente para a temperatura mínima de segurança, logo após a colheita, e manter a cadeia de frio estável durante todo o período pós-colheita (ALMEIDA, 2005).
No que diz respeito à deterioração de alimentos, sabe-se que temperaturas muito baixas provocam danos por resfriamento ou congelamento, enquanto que temperaturas muito altas têm o potencial de aumentar a taxa de atividade enzimática, fitormônios e atividade microbiana. Qualquer dos cenários apresentados tem o resultado na aceleração da senescência do fruto, promovendo prazo de validade reduzido, perda de receitas comerciais e aumento do desperdício de alimentos. O manuseio incorreto de produtos alimentícios perecíveis em todo o setor é uma realidade muito comum. Perdas acontecem em toda a cadeia do frio, más os setores de distribuição e o mal armazenamento do consumidor geram altas perdas (JEDERMANN et al., 2014 a, 2014b).
Estudos demonstraram que situações de desuniformidade na temperatura e umidade ideal, são perigosas na cadeia alimentar (ZUBELDIA et al., 2016). A variável temperatura é amplamente aceita, como um atributo ambiental significativo em relação à deterioração do produto, e deve ser levado em consideração para prolongar a vida pós-colheita de frutos (NASCIMENTO NUNES et al., 2014; BADIA-MELIS et al., 2018).
produto tem papel determinante na qualidade porque:
• Reduz a atividade metabólica, incluindo a respiração, a produção de etileno, as alterações de composição e a velocidade de senescência e de amadurecimento;
• Reduz a atividade microbiana, incluindo o desenvolvimento de doenças nos produtos hortifrutícolas;
• Reduz a perda de água;
• Reduz os fenômenos de crescimento que limitam a vida pós-colheita de órgãos de reserva;
• Prolonga a vida pós-colheita de frutas e hortaliças, reduzindo a taxa de depreciação da sua qualidade.
Dentre fatores: respiração, transpiração e outros aspectos fisiológicos das plantas; a temperatura pode ser considerada como sendo o principal fator externo na conservação das frutas e hortaliças.
Os efeitos do aumento de 10°C na temperatura do ar nos frutos, promove um aumento na velocidade de amadurecimento dos frutos de 2 a 3 vezes. Quanto os efeitos na redução da temperatura, temos uma influência positiva, na redução da respiração e no maior tempo de conservação. E temperaturas abaixo da temperatura ideal, promovem a perda do sabor e aroma, escurecimento da epiderme e/ou polpa e perda da capacidade de maturação (TODAFRUTA, 2012).
Os frutos climatéricos e não climatéricos devem ser mantidos em temperatura e umidade relativa ótimas alertando a especificidade da fisiologia de cada fruto, a fim de manter a qualidade após a colheita. Influências de temperatura baixas e altas promovem a aceleração da senescência de frutos. No entanto, é muito comum que essas medidas controladas não possam ser mantidas durante toda a viagem, especialmente em lugares como portos ou transições em aeroportos, onde os contêineres ficam expostos a condições adversas durante longos períodos de tempo (DERENS-BERTHEAU et al., 2015).
A distância e o modo de transporte também apresentam desafios de estabilidade do produto de temperatura e umidade ideal. A modalidade de transporte de longa distância mais comum é coberta por mar e ar em todo o mundo, mas ao chegar aos portos e aeroportos, eles são transportados através de quatro milhões de caminhões que transportam frutos (GLOUANNEC et
al., 2014).
Para buscar amenizar este impacto, diversas técnicas são realizadas para buscar diminuir a heterogeneidade da temperatura do ar nos ambientes refrigerados. O uso de imagens fotográficas, imagens térmicas, geoestatística ligada a ambientes refrigerados, redes neurais artificiais, dinâmica de fluidos computacionais, estudos sobre a geometria e conformação de
pallets e embalagens são realizados para atuar na redução de perdas pós-colheita (BADIA-MELIS et al., 2018).
5. Teor de Umidade no fruto
A umidade, ou teor de água, de um alimento é um dos atributos de qualidade mais avaliados nos frutos. A quantidade de água tem uma grande importância econômica, pois reflete o teor de sólidos de um produto e sua perecibilidade. Quando há alterações no percentual de umidade, o resultado é uma grande perda na estabilidade química, na deterioração microbiana, nas alterações fisiológicas e na qualidade geral do alimento. A determinação do teor de água é realizada pela secagem da amostra (método gravimétrico), avaliando sua perda de peso, resultado da remoção de água por evaporação (GOMES, 2012).
Estudos apontam que o teor de umidade da polpa de manga ‘Tommy Atkins’ obtidos pela análise foram de 85,48 ± 0,37% para polpa in natura obtendo então média de 15% de matéria seca de polpa (MOREIRA et al., 2013).
Quanto à importância do resfriamento frigorífico, segundo Cocozza (2003) as mangas ‘Tommy Atkins’ armazenadas por 21 dias a 12ºC e 99% de umidade relativa do ar (UR) apresentam perda de massa em torno de 2%. No trabalho de Evangelista (1999), com a mesma cultivar, as frutas foram armazenadas a 10ºC com a umidade relativa do ar variando de 80 a 90%, por um período de 35 dias, a perda média foi de 3,5% da massa inicial.
O constituinte de maior massa dos frutos e hortaliças, é o teor de umidade, sendo o fator mais influente nas propriedades físico-química e termofísicas, motivo pelo o qual a sua determinação torna-se essencial (BON et al., 2010; DEFRAEYE et al., 2016).
6. Parâmetros de avaliação físico-química e termofísicos de frutos
6.1. Parâmetros Físico-químicos de frutos de manga
Mangas são consideradas frutos climatéricos, ou seja, após a colheita, há uma crescente produção fitormônio etileno (C2H4) e aumento da taxa respiratória. A ação do etileno e da elevação
da taxa respiratória, promove uma série de alterações físico-químicas nos frutos. Os atributos físicos e químicos tais como cor, firmeza, acido cítrico, sólidos solúveis são alterados, que aceleram a maturidade do fruto (CHITARRA e CHITARRA, 2005).
O ponto de maturidade de colheita do fruto, é o principal fator que determina a qualidade e a vida útil pós-colheita. O principal critério comercial considerado para determinar a maturidade da manga é baseado na observação visual, tempo de prateleira dos frutos, tamanho do fruto, cor da casca, forma e livre de defeitos visuais. Entretanto, os critérios técnicos são baseados em atributos físico-químicos como a ácidez titulável, pH, cor da casca e polpa da fruta, firmeza, sólidos solúveis e teor de matéria seca (SUBEDI et al., 2007; SIVAKUMAR et al., 2011; WATANAWAN et al., 2014; CORTÉS et al., 2016; NTSOANE et al., 2019).
Para mangas, é recomendável que sejam colhidos no estádio de maturação dois (maturidade comercial), portanto fisiologicamente plenamente desenvolvidos, mas antes de atingirem a ascensão climatérica (TIAN et al., 2010; WANITCHANG et al., 2011).
Durante o amadurecimento dos frutos, o etileno provoca alterações físico-químicas expressas na cor da polpa, do amarelo-esverdeado ao amarelo e ao laranja, em todas as cultivares. O avanço de maturação é perceptível também pela cor da casca de verde à amarelo em algumas cultivares, degradação de clorofila, pectinas e acúmulo de carotenoides. A firmeza de polpa diminui e o teor de sólidos solúveis aumenta, devido a conversão de amido em açúcares. A acidez titulável reduz com avanço de maturação, acúmulo de voláteis aromáticos, a taxa de produção de CO2 aumenta cerca de 40 para 200 mgkg −1 h −1 a 20 °C, e a taxa de produção de etileno promove
um aumento de 0,1 para 3 gkg −1 h−1 a 20 °C (NTSOANE et al., 2019).
Estudos apontam que a produção do etileno e a taxa de respiração são influenciadas pela cultivar, estádio de maturação dos frutos, período de armazenamento, temperatura e umidade ideal (SUDHAKAR RAO e GOPALAKRISHNA RAO, 2008). Contudo para atender o mercado
internacional da Europa, EUA e Asia os frutos de manga são submetidos a tratamentos hidrotérmico que são usados para controlar doenças e pragas. No entanto, tem sido relatado que tem efeito prejudicial sobre a qualidade dos frutos dependendo da temperatura do tratamento, duração, cultivares, tamanho, peso e estádio de maturação do fruto (JACOBI et al., 2001; ANWAR E MALIK, 2007; SIVAKUMAR et al., 2011).
O tratamento hidrotérmico consiste em subeter o fruto a imersão em água aquecida a 46°C e permanece de 75 a 90 minutos para garantir que o calor seja transferido por condução até o centro do fruto e neutralize as larvas das moscas das frutas (JHA et al., 2010). Pesquisas apontam que o hidrotérmico afeta a qualidade dos frutos, acelerando o amadurecimento, aumentando a taxa de respiração, promovendo o amaciamento de tecidos, danos na casca, pigmentação, afeta a degradação da clorofila e síntese de enzimas responsáveis pela degradação da parede celular. Todos estes distúrbios promovem uma grande produção do C2H4 que aceleram a senescência
(JACOBI et al., 2001; TALCOTT et al., 2005; JHA et al., 2010; NGAMCHUACHIT et al., 2014; NTSOANE et al., 2019).
Pesquisas foram desenvolvidas para avaliar atividade do etileno em frutos submetidas ou não ao tratamento hidrotérmico, como mecanismo de retardar a senescência de frutos. A utilização de ceras, filmes plásticos, inibidores etileno ajudaram a reduzir a atividade metabólica. Entretanto, pouco significativos em retardar a maturação de frutos. O uso do armazenamento refrigerado como medida de controle na temperatura e umidade ideal, conseguem conter os avanços de maturidade. Agregado a ambiente controlado, as atmosferas modificadas com a inserção N2, CO, CO2 e O2, e
utilização de embalagens inteligentes auxiliam o prolongamento da vida de prateleira dos frutos (CERETTA et al., 2002; SINGH et al., 2012; SINGH et al., 2013; WATANAWAN et al., 2014; SINGH et al., 2015; BATISTA et al., 2016; NTSOANE et al., 2019).
O armazenamento refrigerado é um processo significativo na conservação do estádio de maturação de frutos. Contudo, deve-se atentar para temperaturas, muito abaixo da temperatura ideal, pois, influenciam na redução da produção de voláteis totais, hidrocarbonetos, ésteres e aldeídos na manga. A redução da temperaura induz o chamado chilling injury. O efeito da injuria pelo frio, afeta as atividades de várias enzimas envolvidas em diversas vias metabólicas para a conversão de fitornonios inibidores do etileno (NAIR e SINGH, 2003).
A técnica do armazenamento refrigerado, permite que os frutos cheguem as prateleiras do consumidor com a manutenção da qualidade. Para tanto, os frutos após a colheita devem ser encaminhados a chamada cadeia do frio que se inicia no packing house. Estes frutos necessitam que a temperatura de polpa permaneça entre 10 e 13°C. A manutenção de baixas temperaturas na cadeio do frio de frutos tornou-se essencial, para que produtor rural consiga atender o mercado de exportação e agregar maior valor ao seu produto. No entanto, as câmaras refrigeradas convencionais são caras e inacessíveis para a maioria dos pequenos agricultores hortícolas. Além da falta de homogeneidade da temperatura e umidade do ar nas câmaras refrigeradas repercutir em baixos tempos de armazenamento. Novas estratégias devem ser pratricadas para que os sensores de temperatura e umidade se tornem mais precisos dentro das câmaras, pallets e embalagens no intuito de reduzir as perdas (NAIR e SINGH, 2003; BATISTA et al., 2016).
Com a intensa perda pós-colheita, as pesquisas voltaram-se para entender os parâmetros termofísicos dos frutos. A avalição e caracterização termofísicas dos frutos, podem auxiliar a desenvolver sensores eletrônicos mais eficientes no controle da temperatura e auxiliar na construção de câmaras refrigeradas mantendo a qualidade da produção de frutos.
6.2.Parâmetros Termofísicos
A maioria dos métodos de conservação de alimentos envolve transferência de energia em forma de calor. É importante que seja exata a quantidade de energia necessária para cada tipo de processo que seja utilizada, a fim de reduzir os custos da operação e obter produtos com melhor qualidade.
O conhecimento das propriedades termofísicas e seu comportamento durante o processo são fatores limitantes na exatidão dos cálculos de taxas de transferência de calor. Propriedades termofísica de materiais biológicos dependem das características de cada produto como a umidade, estrutura, composição centesimal, que podem variar dependendo do processo realizado (DEWITT e INCROPERA, 2003).
Propriedades termofísicas são parâmetros importantes na descrição da transferência de calor durante o aquecimento de sólidos, levantando grandes vantagens em custos de energia, qualidade e segurança alimentar (FEYISSA, 2011; HASSAN e RAMASWAMY, 2011). O calor
específico (Cp), difusividade térmica (α) e condutividade térmica (k); são as propriedades termofísicas mais importantes no processamento de frutos. Cada fruto possui sua fisiologia própria e requer analises individiduais para a avaliação de parâmetros termofísicos. Desta forma diversos pesquisadores buscaram avaliar e caracterizar várias cultivares (Tabela 2) (BITRA et al., 2010; FEYISSA, 2011).
Tabela 2: Caracterização termofísicas de frutos.
Fruto K Cp α ρ Autor
Acerola 0,5979 3,96 kJ kg-1 ° C-1 1,4696 X 10-7 m² s-1 1086,6 kg m-3 Arrazola et al.,
2014
Amêndoa 0,32 2,65 kJ kg-1 ° C-1 1,13 X 10-7 m² s-1 1138,6 kg m-3 Arrazola et al.,
2014
Amêndoa 0,19 2,8 kJ 1,1 × 10-7 m2 s-1 Bitra et al., 2010
Café 0,22 W m-1K-1 1,64 kJ kg-1 ° C-1 0,00138 cm2 s-1 Delgado et al.,
2009.
Pistache 2,52 kJ kg-1°C-1 Razavi e
Taghizadeh, 2007. Morango 0,52 W m-1 °C-1 3,82 kJ kg-1 ° C-1 1,47x10-7 m² s-1 Alvarado et al.,
1989
Melão 0,57 W m-1 °C-1 3,76 kJ kg-1 ° C-1 1,59 x10-7 m² s-1 Alvarado et al.,
1989
Tomate 0,55 W m-1 °C-1 3,93 kJ kg-1 ° C-1 1,50 x10-7 m² s-1. Alvarado et al.,
1989
Abacate 0,39 W m-1 °C-1 1,16x10-7 m² s-1 Alvarado et al.,
1994
Ameixa 0,54 W m-1 °C-1 1,49x10-7 m² s-1 Alvarado et al.,
1994 Polpa de Laranja Artificial (Ágar 3%) 0,68 W m-1 °C-1 1,112±0,0616 kJ kg -1 °C -1 1,67 g cm-3 Castro et al., 2005 Ágar (5%) sacarose (5%) 0,2 % de CaCl2 e 10% de ácido cítrico 0.55 ± 0.019 W m-1 °C-1 1033 ± 5kg m-3 Soto-Reyes et al., 2015
Gel de Ágar a 2% 0,6 W m-1 °C-1 1070 kg m-3 Barringer et al., 1995 Gel de Ágar a 1% 0,53 W m-1 °C-1 1010 kg m-3 Birla et al., 2008 Manga K = 0,459 – 7,2 x 10 -3 T – 2,5x 10 -3 M + 1,7x 10-4 TM 0,926 – 4,3 x 10 -3 T + 1,4 x 10 -3 M + 3,3 x 10 -5 T α x 107 = 3,921 – 0,058T – 0,024M + 4.7x 10-4 TM + 2,1 x 10-4 + 2,1x10-4 T² Loahasongkram et al., 1995 Manga Tommy Atkins 𝐾 = 0,084 + 0.546 ( 𝑤 1 + 𝑤) + 0,0059𝑇 𝐶𝑝 = 1,119 + 3,274 ( 𝑤 1 + 𝑤) − 0,00152𝑇 𝜌 = 1417 − 453,1 (𝑤 1+𝑤) − 0,1872𝑇 Bon et al., 2010.
Os frutos possuem características termofísicas distintas. Fatores como condutividade térmica, calor especifico e densidade são variáveis para diversas cultivares (Tabela 2). Para as condições da manga (Mangifera indica), existe na literatura cientifica os parâmetros para condutividade térmica, calor especifico e densidade em um trabalho realizado por LOAHASONGKRAM et al. (1995), onde parametrizou equações para o fruto sobre temperaturas elevadas e temperaturas baixas, tal equação tem como variáveis dependentes a temperatura e umidade. Entretanto a maioria dos trabalhos citados, obtém valores de difusividade térmica para uma única condição “fruto fresco” e com avanço da maturação as características dos parâmetros da difusividade térmica podem ser fisiologicamente diferentes.
Para a avaliação de polpas de manga ‘Tommy Atkins’, pesquisas recentes analisaram as propriedades termofísicas, sobre diferentes temperaturas e teores de umidade. Desenvolveram um modelo matemático para predição do calor especifico, condutividade térmica e difusidade térmica em função da temperatura e umidade do ar (Tabela 2) (BON et al., 2010).
Quanto a simulação de materiais sintéticos para representar o comportamento térmico de polpa de frutos, um trabalho realizado por Soto-Reyes et al. (2015), analisaram o ágar a 5% adicionando 5% sacarose, 0,2 % de CaCl2 e 10% de ácido cítrico resultando num pH em 4, em dois
recipientes: esfera e cilindro, com massa de 180 e 290 gramas respectivamente. Foram submetidos a testes em microondas com temperaturas de 20 a 80°C em diferentes tempos de permanência e potência. Após os testes extraiu-se que a densidade ρ = 1033 ± 0,5g/m3 com coeficiente de condutibilidade térmica k = 0,55 ± 0,019 W/m °C (Tabela 2). O teor de umidade e de sólidos solúveis do gel de ágar foram de 89,40 ± 0,17% e 10,40 ± 0,67 %. Vale ressaltar que, o teor de
sólidos solúveis na manga possui uma escala de 8 a 16 °Brix e o trabalho citado atingiu valores de 10,40.
Através deste banco de informações acima citados (Tabela 2), observa-se que os autores se preocupam com as características térmicas, obtendo parametrizações com escalas fixas e variáveis dependentes de temperatura e umidade. Entretanto, não levam em consideração que o fruto é um elemento vivo que possui parâmetros físico-químicos que são cruciais para a fisiologia do fruto e que consequentemente possui especificidade para cada estádio de maturação.
Os parâmetros termofísicos são uteis na identificação de materiais sintéticos que possuam as características similares aos frutos. A seleção dos materiais sintéticos previamente auxilia na confecção de cascas e polpas artificias para que possam simular termicamente as condições de frutos in natura. Entretanto deve-se levar em consideração os parâmetros físico-químicos dos frutos, pois, os comportamentos térmicos com o avanço da maturação dos frutos são distintos (VASCONCELOS et al., 2019a). Devido às alterações térmicas, se faz necessários hardwares e softwares em conjunto para aumentar a precisão do monitoramento de frutos.
7. Sensores eletrônicos para medição de temperatura de frutos na cadeia do frio
No intuito de reduzir o erro de medição de temperaturas, pesquisas enfatizam que os sensores de temperatura sejam colocados no centro do fruto para monitoramento da temperatura de polpa. Geralmente sensores com fio, como exemplo termopares que são inseridos na polpa de frutos (DEFRAEYE et al., 2013). Estas medições podem ser feitas continuamente durante toda a cadeia do frio. Desde o armazenamento refrigerado, transporte e chegada dos frutos ao destino. Esses sensores são equipamentos padrão em contêineres refrigerados e pré-resfriadores. Registradores de dados sem fio e autoalimentados com um sensor embutido, como iButtons®, também foram usados para medir as temperaturas de centro de frutos (HOANG et al., 2012; DEFRAEYE et al., 2016, 2015b). Eles são tipicamente colocados na superfície do fruto e centro dos frutos, fazendo uma incisão. Entretanto pouco se sabe das problemáticas da inserção destes sensores de temperatura na atividade metabólica dos frutos e as possíveis alterações físico-químicas.
Sensores inteligentes, baseados em identificação por radiofrequência (RFID), têm sido usados para medir a temperatura do ar dentro do ambiente. Alguns desses dispositivos também incluíam monitoramento de gases, mas esses sistemas ainda estão em fase de testes (LANIEL e EMOND, 2010; LANIEL et al., 2011; EUCATRENE, 2012; JIMENEZ-ARIZA et al., 2014; ZOU
et al., 2014; PANG et al., 2015). Dependendo do tipo de dispositivo (por exemplo, passivo ativo,
passivo e assistido por bateria), eles registram os dados na memória para posterior leitura sem fio ou transmitem diretamente os dados sem fio para dispositivos externos, sendo necessário uma estação base do data logger nas proximidades para envio dos dados e de um armazenador de dados. Devido à vantagem da leitura sem fio, a idéia principal por trás desses sensores, é que elas podem ser colocadas em cada embalagem ou pelo menos em cada pallet. Os sensores são baseados em RFID descartáveis e reutilizáveis, bem como registradores de temperatura baseados na tecnologia Bluetooth. Possuem várias limitações nas medições atuais de temperatura interna do fruto. São utilizados normalmente para operações de comércio interno na cadeia do frio.
7.1.Problemas com as medições de temperatura
As medições de temperatura corriqueiramente monitoradas são: a do ar do ambiente e/ou temperatura da superfície do fruto em operações comerciais, em vez da temperatura da polpa do fruto (JEDERMANN et al., 2014 a, b; DEFRAEYE et al., 2015a).
Os sensores RFID são usados para registrar o histórico térmico da cadeia de frio. As temperaturas do ar ou superfície do fruto captam mudanças instantâneas nas condições de resfriamento do ambiente, enquanto as temperaturas do centro do fruto ficam para trás devido ao atraso térmico. O fruto não reage tão rápido, em termos de temperatura, vários fatores físico-químicos dos frutos, termofísicos, gradiente térmico e heterogeneidade da temperatura do ar torna-se o centro do fruto o local mais contorna-servador de temperatura (DEFRAEYE et al., 2017; VASCONCELOS, et al., 2019a).
As temperaturas da polpa refletem melhor as condições térmicas do fruto e são uma medida melhor para a evolução da qualidade dos frutos e o prolongamento da pós-colheita. É por isso que as temperaturas da polpa e não as temperaturas do ar são medidas em várias operações da unidade comercial da cadeia de frio pós-colheita. As medições são usadas por organizações governamentais
para avaliação do cumprimento de qualquer procedimento fitossanitário. Estas medições são intrusivas e provocam perdas de vários lotes de frutos armazenados (THOMPSON, 2008; PPECB, 2016a, 2016b; USDA-APHIS, 2017).
Além dos problemas quanto aos locais das medições de temperatura, agrava-se pela quantidade de sensores limitados que são instalados dentro do ambiente refrigerado em operações comerciais. Em geral, são três termopares tipo T de cobre e constantan conectados ao contêiner ou a cada 20 pallets em um contêiner ou ambiente refrigerado (DEFRAEYE et al., 2016; WU et al., 2018). A heterogeneidade das taxas de resfriamento de frutos para diferentes embalagens no armazenamento não é corretamente coletada e leva a uma qualidade não homogênea dos frutos.
A heterogeneidade foi identificada e está presente em vários locais: dentro de caixas de frutos, entre caixas de frutos empilhadas em um pallet, bem como entre diferentes pallets de carga e embalagens de caixas plásticas em ambiente de armazenamento refrigerado (DEHGHANNYA
et al., 2012; DELELE et al., 2013a; DELELE, 2013b; NASCIMENTO NUNES et al., 2014;
DEFRAEYE et al., 2016; OLATUNJI et al., 2017)
Os sensores RFID poderiam identificar esse problema e captar a heterogeneidade da temperatura e umidade do ar, já que elas normalmente são colocadas em vários locais. No entanto, esses equipamentos não medem a temperatura da polpa, pois, a prática de inserção afeta o fruto.
7.2.Simuladores de casca e polpa de frutos
Estudos científicos com os simuladores de temperatura de frutos, têm sido utilizados para medir o resfriamento dos frutos por meio do monitoramento da temperatura do centro e superfície de frutos (ALVAREZ et al., 2003; De CASTRO et al., 2005a, b; VIGNEAULT et al., 2005; ALLAIS et al., 2006; VIGNEAULT et al., 2006; LU et al., 2009; DEHGHANNYA et al., 2012; DELELE et al., 2013b).
Nas pesquisas para simulação de cascas, são construídos por diversos materiais como: polímero de polietileno, policloreto de polivinila (PVC) e alumínio. O centro destes simuladores é predominantemente esférico ou elipsoidal. É inserido um termopar, conectado a um registrador de dados externo. A produção destes simuladores não exibe variabilidade fisiológica dos frutos e precisão experimental, em comparação com a fruta real. (ALVAREZ et al., 2003; De CASTRO et
al., 2005a, b; VIGNEAULT et al., 2005; VIGNEAULT et al., 2006; LU et al., 2009;
DEHGHANNYA et al., 2012; DEFRAEYE et al., 2015a).
No centro de frutos artificiais, ensaios para o desenvolvimento de polpas sintéticas evidenciam que a concentração de solutos específicos pode afetar as características térmicas do produto final, fornecendo maior precisão no tempo de resfriamento de frutos artificiais. Estudos com o uso de ágar de 1 a 5%, sacarose até 5%, 0,2% de CaCl2, 0 a 10% de ácido cítrico e pH de 0
a 4 afetaram as características térmicas da polpa artificial (CASTRO et al., 2004; BIRLA et al., 2008; SOTO-REYES et al., 2015).
Pesquisas anteriores buscaram tentativas para simulações térmicas de frutos, as quais não foram precisas. Desenvolveu-se esferas polietileno para simular a casca e polpa preenchida com bola de plástico cheia de água. Trabalhos com esfera de polímero preenchida com gel de celulose, esfera de polímero acrescido de ágar a 3 e 5%, bola de plástico cheia de água e alumínio esférico preenchido com gel de celulose para simulação de frutos. Entretanto, nestes estudos as simulações não conseguiam representar com alta precisão o comportamento térmico da casca e polpa de frutos como maçã e laranja (CHUNTRANULUCK et al., 1998; De CASTRO et al., 2005a; ALLAIS et
al., 2006; VIGNEAULT e De CASTRO, 2006; DEHGHANNYA et al., 2012; DELELE et al.,
2013a). Eles diferem significativamente em termos de propriedades térmicas em comparação com um fruto real. Se nenhum modelo matemático de parametrização for realizado, o comportamento do resfriamento previsto poderá significativamente diferente.
Contudo, impressoras 3D possuem benefícios a ser explorados. A confecção da geometria irregular e espessura de casca dos frutos pode ser desenvolvida com o auxílio destas máquinas. A utilização de materiais sintéticos como o poliácido lático (PLA) e acrilonitrila butadieno estireno (ABS) podem promover o desenvolvimento mais preciso de geometrias irregulares (VASCONCELOS et al., 2019b).
Pesquisas recentes atingiram com precisão a simulação térmica dos frutos. Simuladores térmicos para maçãs, compostos por uma fina camada de plástico que simula a geometria do tamanho, forma, textura da superfície e o interior do protótipo preenchido com água-carboidrato-ar e mistura de gel (WCA), atingiram a precisão de 0,95 págua-carboidrato-ara casca e polpa do dispositivo água-carboidrato-artificial (DEFRAEYE et al., 2017). Entretanto se faz necessário o uso de hardwares e softwares para comunicação.
