UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
GABRIELA KUROKAWA E SILVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ÓPTICAS DE SEMENTES DE Moringa oleifera VISANDO O DESENVOLVIMENTO DE DESCASCADOR
ASSESSMENT OF MECHANICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF THE Moringa oleifera SEED WITH THE OBJECTIVE OF DEVELOPING A PEELING MACHINE.
CAMPINAS 2016
GABRIELA KUROKAWA E SILVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ÓPTICAS DE SEMENTES DE Moringa oleifera VISANDO DESENVOLVIMENTO DE DESCASCADOR
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Engenharia Agrícola, na Área de Máquinas Agrícolas
Supervisor/Orientador: INÁCIO MARIA DAL FABBRO
Co-supervisor/Coorientador: JOSÉ EUCLIDES STIPP PATERNIANI
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA GABRIELA KUROKAWA E SILVA E ORIENTADA PELO PROF. DR. INÁCIO MARIA DAL FABBRO E CO-ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ EUCLIDES STIPP PATERNIANI.!
CAMPINAS 2016
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Silva, Gabriela Kurokawa,
Si38a SilAvaliação das propriedades mecânicas e ópticas de sementes de Moringa oleifera visando o desenvolvimento de descascador / Gabriela Kurokawa e Silva. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.
SilOrientador: Inacio Maria Dal Fabbro.
SilCoorientador: José Euclides Stipp Paterniani.
SilTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola.
Sil1. Moringa oleifera. 2. Descascamento. 3. Biospeckle. 4. Método de moiré. I. Dal Fabbro, Inacio Maria,1944-. II. Paterniani, José Euclides Stipp,1957-. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agrícola. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Assessment of mechanical and optical properties of the Moringa
oleifera seed with the objective of developing a peeling machine
Palavras-chave em inglês:
Moringa oleifera Peeling
Biospeckle Method the moiré
Área de concentração: Máquinas Agrícolas Titulação: Doutora em Engenharia Agrícola Banca examinadora:
Inacio Maria Dal Fabbro [Orientador] Eudir Alves Affonso
Mikiya Muramatsu Kil Jin Park
Rafael Augustus de Oliveira
Data de defesa: 29-01-2016
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Agrícola
Este! exemplar! corresponde! à! redação! final! da! Tese$ de$ Doutorado! defendida! por! Gabriela$ Kurokawa$ e$ Silva,! aprovada! pela! Comissão! Julgadora! em! 29! de! janeiro! de! 2016,!na!Faculdade!de!Engenharia!Agrícola!da!Universidade!Estadual!de!Campinas.$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ ________________________________________________________________$ Prof. Dr. Inácio Maria Dal Fabbro – Presidente e Orientador
FEAGRI/UNICAMP$ $
$ $
_________________________________________________________________$ Prof. Dr. Eudir Alves Affonso – Membro Titular
IFSP/SP$ $ $
_________________________________________________________________$ Prof. Dr. Mikiya Muramatsu – Membro Titular
IF/USP$$ $ $
_________________________________________________________________$ Prof. Dr. Kil Jin Park – Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP$$ $
$
_________________________________________________________________$ Prof. Dr. Rafael Augustus de Oliveira – Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP$$ $ ! ! $ $
A$ Ata$ da$ defesa$ com$ as$ respectivas$ assinaturas$ dos$ membros$ encontraFse$ no$ processo$de$vida$acadêmica$da$discente.$
Aos meus pais Carlos e Neide e à minha irmã Indira, que sempre estiveram presentes e foram fundamentais para eu chegar até onde cheguei hoje. E ao meu companheiro, João Nilton, que esteve ao meu lado em todos os momentos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao professor Inácio por ter me “roubado” para fazer parte dos seus alunos, acreditado em mim e na minha ideia, mesmo quando nem eu mesma sabia se ia dar certo. Agradeço também ao professor Paterniani, que me acompanhou desde a graduação e continua presente no meu crescimento profissional.
Agradeço também aos membros da banca pela disponibilidade em acrescentar ainda mais para o meu trabalho: Professor Eudir, Professor Kil, Professor Mikiya e Professor Rafael.
À Faculdade de Engenharia Agrícola por ter viabilizado o desenvolvimento do meu doutorado.
À CAPES e à FAPESP (número do processo: 2013/11652-9) pela bolsa concedida.
Agradeço aos amigos Jonathan, Kelen, Marcos Valério, Katia, Fujita e Ferreira pela grande ajuda não só no meu trabalho, mas também pela grande amizade construída nesses anos.
Aos amigos Adriana, Gustavo, Henrique e Camila, por sempre estarem dispostos a esclarecer todas as minhas dúvidas “burocráticas”. Em especial para a Adriana, que foi, é e sempre será minha “pré-banca”.
À Rosa Helena, por ter sido essa mãezona que me acolheu e me ajudou e me ensinou muito.
Aos amigos da FEAGRI, que me acolheram como parte da família: Milla, Vivi, Gigi, Luna, Gabriel, Luisa. À Vivi um agradecimento especial, pelo socorro da última hora.
Aos funcionários e amigos das secretarias de graduação e pós graduação Ritinha, Cláudio, Rosangela, Sidnei, Fábio e Valéria.
Aos funcionários dos laboratórios que muito me ensinaram e me ajudaram: Leandro, Luiz, Zé Maria, Chico, Devis, Rosália e Paulão. E à Isabel, que me manteve acordada com seus cafés e calma com seus chazinhos, sempre nas horas certas.
RESUMO
Novas tecnologias e ferramentas são desenvolvidas a partir do surgimento das necessidades identificadas durante a execução de operações que exigem força, precisão e/ou repetição, visando simplificar e facilitar esses processos. Durante o desenvolvimento de tecnologia alternativa de tratamento de água com a utilização de sementes de Moringa oleifera, levantou-se a necessidade do desenvolvimento de novo método que simplificasse o processamento dessas sementes para sua utilização como coagulante natural. Dessa forma, a introdução e o emprego desse tratamento alternativo seria mais fácil. Tendo em vista essa necessidade, além de outros empregos que podem ser dados às sementes de Moringa oleifera na indústria alimentícia e farmacêutica, por exemplo, o objetivo do presente projeto foi desenvolver um equipamento que executasse o descascamento das sementes de moringa, visto que, após a retirada das sementes das vagens, essas ainda apresentam uma película que deve ser removida para seu uso. Para tal, primeiramente, foi desenvolvido um estudo fundamental das propriedades ópticas e mecânicas das sementes, a fim de se obter os parâmetros necessários para o desenvolvimento do projeto do equipamento para processamento. Paralelamente, foi feita uma pesquisa sobre outros equipamentos já desenvolvidos para operações de descascamento, visando levantar os mecanismos de funcionamento que poderiam ser adotados nesse projeto. Por fim, foi realizada a simulação computacional do equipamento, a partir do qual foi construído um protótipo para testes reais. Visando levantar mais dados de base para o desenvolvimento do protótipo, também foram realizados ensaios de caracterização física das sementes. Para tal, foram usadas sementes em 4 diferentes estádios de maturação Como resultado dessa etapa, verificou-se que não existe uma diferença significativa nos parâmetros dimensão e teor de proteína para os diferentes estádios de maturação. Verificou-se variação com significância estatística da cor e do teor de água. Sendo assim, fez-se a correlação do teor de água com o valor do momento de inércia obtido através da técnica de Biospeckle. Com esse resultado e os parâmetros avaliados, não foi possível se identificar uma correlação do momento de inércia com o estádio de maturação das sementes. Além da caracterização física, também foi determinada a caracterização mecânica, através da qual verificou-se que nos 4 estádios de maturação ocorre maior concentração de tensões nas bordas das sementes. Sendo
assim, ocorre o rompimento das cascas, sem que haja comprometimento da porção interna das sementes. Por fim, com relação à idealização do equipamento para o descascamento das sementes, desenvolveram-se 3 diferentes ideias de equipamento, porém todos englobando os princípios de compressão e cisalhamento. Foram esses: mesa excêntrica, rolos cilindros e discos paralelos. Desses, optou-se pela mesa excêntrica pois, apesar de não ser o de mais simples construção, entendeu-se que seria o mais prático para automação e controle. Essa apresentou resultados positivos para o descascamento, em especial para maiores velocidades de rotação durante a operação do equipamento.
Palavras-chave: Moringa oleifera, descascamento de sementes, Biospeckle, propriedades mecânicas dos vegetais, propriedades ópticas dos vegetais.
ABSTRACT
New technologies and tools have being developed from the needs arising during process, which require power, precision and/or replications, everything to simplify as well as to facilitate these operations. During the development of alternative process for water treatment based on the application of Moringa oleifera seeds, it has been observed the need of developing a new method that simplifies the seeds processing for further application as natural coagulant. This way the introduction and application of the proposed alternative treatment would be considerably simplified. The aim of this research work was identified as to develop equipment to process the moringa seeds, removing the seeds shells. Initially, a detailed study of pods and seeds optical as well as mechanical properties was carried out, aiming to survey basic parameters to develop the proposed processing equipment. In parallel, it was also carried a research on shelling mechanisms as disclosed by the pertinent literature, aiming to select operating mechanisms suitable to this project. Finally it was developed the equipment project by means of software simulations and further construction of a prototype for real tests. Seeds physical characterization tests included 4 different seed development stages. As result, it was observed no significant difference of fat and protein contents. It was just observed variations in the color and moisture contents. Following, a correlation between moisture content and Moment of Inertia, obtained through the Biospeckle technique has been carried as well. These results and the evaluated parameters did not give support to make the correlation of Moment of Inertia with seed developing stage. The mechanical characterization revealed higher stress concentration on the seed edges for the four seed development stages. In that situation, shell breakup did not commit of internal portion of the seeds. The equipment idealization for seeds shelling included 3 different options. However all of them induced compressive as well as shear stress loadings. The shelling equipment options included: eccentric table, cylinders and parallel discs. The final decision was based on all advantages and inconveniences of each mechanism, after which the concentric table was selected. Despite the elected mechanism did not offer the easier construction, it was understood it was the one allowing the easier automation and control.
Keywords: Moringa oleifera, seed shelling, Biospeckle, vegetable mechanical properties, vegetable optical properties
LISTA DE ILUSTRAÇOES
Figura 1: Equipamento DIRADEL ... 32
Figura 2: Mecanismo descascador ... 33
Figura 3: Princípio de funcionamento do descascador (1) e do seletor (2) ... 34
Figura 4: Descascador contínuo baseado em um disco fixo (a) e em outro rotativo (b) ... 35
Figura 5: Diagramas esquemáticos do descorticador de discos (a) planos e (b) com disco superior modificado ... 36
Figura 6: Representação esquemática da unidade quebradora ... 36
Figura 7: Equipamentos para redução de tamanho – “Rolos de Esmagamento” ... 37
Figura 8: Equipamentos para redução de tamanho – “Moinho de Martelo” ... 38
Figura 9: Equipamentos para redução de tamanho – “Moinho de Disco de Atrito” .. 38
Figura 10: Destaque para os mecanismos de trilha (A) e para os mecanismos de limpeza e separação (B) presentes na colhedora de soja ... 39
Figura 11: Sistema de limpeza com transporte por gravidade. ... 41
Figura 12: Padrão STS de um produto com baixa atividade (a) e de um produto com alta atividade (b) ... 43
Figura 13: Simulação de STS de alta atividade ... 45
Figura 14: MOM da STS de alta atividade ... 46
Figura 15: STS e MOM de materiais com baixa e alta atividade ... 47
Figura 16: Franjas de moiré geradas pela sobreposição de duas grades ... 49
Figura 17: Esquema para obtenção das imagens na técnica de moiré de sombra .. 51
Figura 18: Esquema para obtenção das imagens na técnica de moiré de Projeção 52 Figura 19: Quatro estádios de maturação das sementes avaliadas ... 53
Figura 20: Representação das medidas das sementes ... 54
Figura 21: Processo de extração de óleo ... 55
Figura 22: Diagrama de CIELab com sequência das nuances de cores e orientação do ângulo de nuances (Hue-Angle) ... 56
Figura 23: Setup experimental para captura das imagens ... 57
Figura 24: Arranjo experimental para compressão das sementes ... 58
Figura 25: Saída do programa de aquisição de dados ... 59
Figura 26: Arranjo experimental moiré ... 60
Figura 28: Imagens de referência ... 62
Figura 29: Objeto com uma das fases projetadas sobre ele ... 62
Figura 30: Resultado de cor no Diagrama de CIELab ... 67
Figura 31: Relação entre teor de umidade e MI ... 69
Figura 32: Vista tridimensional e vistas dos cilindros ... 97
Figura 33: Base inferior ... 97
Figura 34: Mancal ... 98
Figura 35: Cilindro ... 98
Figura 36: Vista tridimensional do equipamento de discos ... 99
Figura 37: Disco superior com canaleta guia ... 100
Figura 38: Disco inferior com espaçadores ... 101
Figura 39: Vista tridimensional da mesa excêntrica ... 102
Figura 40: Base inferior ... 103
Figura 41: Base superior ... 103
Figura 42: Mancal ... 104
Figura 43: Disco excêntrico ... 105
Figura 44: Prisma de ligação de três pontos ... 105
Figura 45: Pino de ligação ... 106
Figura 46: Roda dentada ... 106
Figura 47: Eixo de ligação ... 107
Figura 48: Eixo “motor” ... 107
Figura 49: Mancal do eixo “motor” ... 108
Figura 50: Vista frontal do equipamento ... 109
Figura 51: Vista lateral do equipamento (motor e dispositivos de controle de operação) ... 110
Figura 52: Vista lateral do equipamento ... 110
Figura 53: Correlação entre a velocidade de operação do equipamento e a eficiência de descascamento ... 112
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Resultados das dimensões médias das sementes e resultado do teste de
Tukey com 5% de significância ... 65
Tabela 2: Teor de óleo nas sementes de moringa nos 4 estádios avaliados e resultado do teste de Tukey com 5% de significância ... 65
Tabela 3: Teor de proteína nos 4 estádios avaliados e resultado do teste de Tukey com 5% de significância ... 66
Tabela 4: Valores médios de Chroma e Hue ... 67
Tabela 5: Valores médios do teor de água para cada categoria e resultado do teste de Tukey com 5% de significância ... 68
Tabela 6: Valores médios de MI para as 4 categorias avaliadas e resultado do teste de Tukey com 5% de significância ... 68
Tabela 7: Matrizes MOM e STS para as repetições de V1 ... 71
Tabela 8: Matrizes MOM e STS para as repetições de V1 (continuação) ... 72
Tabela 9: Matrizes MOM e STS para as repetições de V2 ... 73
Tabela 10: Matrizes MOM e STS para as repetições de V2 (continuação) ... 74
Tabela 11: Matrizes MOM e STS para as repetições de V3 ... 75
Tabela 12: Matrizes MOM e STS para as repetições de V3 (continuação) ... 76
Tabela 13: Matrizes MOM e STS para as repetições de V4 ... 77
Tabela 14: Matrizes MOM e STS para as repetições de V4 (continuação) ... 78
Tabela 15: Dados de força de ruptura e resultado do teste de Tukey com 5% de significância ... 79
Tabela 16: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V1 durante a aplicação de carga (Repetição 1) ... 80
Tabela 17: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V1 durante a aplicação de carga (Repetição 2) ... 81
Tabela 18: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V1 durante a aplicação de carga (Repetição 3) ... 82
Tabela 19: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V1 durante a aplicação de carga (Repetição 4) ... 83
Tabela 20: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V2 durante a aplicação de carga (Repetição 1) ... 84
Tabela 21: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V2 durante a aplicação de carga (Repetição 2) ... 85
Tabela 22: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V2 durante a aplicação de carga (Repetição 3) ... 86 Tabela 23: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V2 durante a aplicação de carga (Repetição 4) ... 87 Tabela 24: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V3 durante a aplicação de carga (Repetição 1) ... 88 Tabela 25: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V3 durante a aplicação de carga (Repetição 2) ... 89 Tabela 26: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V3 durante a aplicação de carga (Repetição 3) ... 90 Tabela 27: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V3 durante a aplicação de carga (Repetição 4) ... 91 Tabela 28: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V4 durante a aplicação de carga (Repetição 1) ... 92 Tabela 29: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V4 durante a aplicação de carga (Repetição 2) ... 93 Tabela 30: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V4 durante a aplicação de carga (Repetição 3) ... 94 Tabela 31: Mapas de distribuição dos deslocamentos de V4 durante a aplicação de carga (Repetição 4) ... 95 Tabela 32: Porcentagem de descascamento para as diferentes velocidade de rotação e resultado do teste de Tukey com 5% de significância ... 111
LISTA DE EQUAÇÕES
p! x = Prob u = x =!ú#$%&!!"!!"!#!$%&'!!"!!!í#$%!!!ú#$%&!!"!#$!!"!!"!#!$%&' !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!1!...!43! p! x!, x! = p!!,!! x!, x! = Prob u! = x!, u! = x!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!2!...!44! p! x!, x! =!ú#$%&!!"!!"#$%!!"!!"!#!$%&'!!"#!!í#$%&!!!!!!,!!!!! !ú#$%&!!"!#$!!"!!"#$%!!"!!"!#!$%&'!!"!!"#$%" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!3!44! MOC = N!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!4!...!44! MI = !"M!" i!j ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!5!...!48! I = m ∙ R!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!6!...!48! θ(x, y) = arctan !! !,! !!! !,! !! !,! !!! !,! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!7!...!63! v =!"! ∙ !"#$!!"#!"!!" ∙ f !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!8!...!111! v = 1,434 ∙ f!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Equação!9!...!111!
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 23 2. HIPÓTESE ... 25 3. OBJETIVOS ... 27 3.1. Objetivo Geral ... 27 3.2. Objetivos Específicos ... 27 4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 29
4.1. Cultura da Moringa oleifera ... 29
4.2. O problema e a sua importância ... 31
4.3. Equipamentos desenvolvidos para outros produtos ... 31
4.3.1. Mamona (Ricinus communis L.) ... 32
4.3.2. Macadâmia (Macadamia intergrifolia) ... 33
4.3.3. Castanha de caju (Anacardium occidentale) ... 34
4.4. Fragmentação de sólidos ... 37
4.5. Colhedora de soja ... 39
4.5.1. Trilha ... 40
4.5.2. Separação e limpeza ... 40
4.6. Biospeckle ... 41
4.6.1. Momento de Inércia (MI) ... 42
4.7. Técnicas de moiré ... 48
4.7.1. Moiré de Sombra ... 50
4.7.2. Moiré de Projeção ... 51
5. MATERIAL E MÉTODOS ... 53
5.1. Aquisição das sementes objeto de estudo ... 53
5.2. Caracterização Física ... 53 5.2.1. Dimensões ... 54 5.2.2. Teor de Óleo ... 54 5.2.3. Teor de Proteína ... 55 5.2.4. Cor ... 55 5.2.5. Teor de Água ... 57 5.2.6. Biospeckle ... 57 5.3. Caracterização Mecânica ... 58 5.3.1. Ensaio de Compressão ... 59
5.3.2. Moiré de Projeção ... 59 5.4. Concepção de Novos Equipamentos ... 64 5.5. Construção do Protótipo e Teste ... 64 5.6. Análise Estatística ... 64 6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 65 6.1. Caracterização Física ... 65 6.1.1. Dimensões ... 65 6.1.2. Teor de Óleo ... 65 6.1.3. Teor de Proteína ... 66 6.1.4. Cor ... 66 6.1.5. Teor de água ... 68 6.1.6. Biospeckle ... 68 6.2. Caracterização Mecânica ... 79 6.2.1. Ensaio de Compressão ... 79 6.2.2. Moiré de Projeção ... 79 6.3. Concepção de Novos Equipamentos ... 96 6.3.1. Rolos Cilíndricos ... 96 6.3.2. Discos Paralelos ... 99 6.3.3. Mesa Excêntrica ... 101 6.4. Construção do Protótipo e Teste ... 108 7. CONCLUSÃO ... 113 8. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 115 9. BIBLIOGRAFIA ... 117
1. INTRODUÇÃO
Os estudos desenvolvidos sobre a utilização da Moringa oleifera têm sido motivados pela possibilidade da utilização de praticamente todos os órgãos do vegetal. As folhas são compostas por proteína (17,01%) e carboidratos (63,11%), além de fibra (7,09%), e minerais diversos. Devido a sua composição, essas podem ser usada na alimentação humana e animal. Alguns estudos vem sendo desenvolvidos para substituição ou complementação da alimentação animal. Dentre esses, tem-se: para aves domésticas (OGBE E AFFIKU, 2011) e caprinos (SULTANA et al, 2015). A literatura também ressalta estudos indicando que um extrato das folhas apresenta potencial anticancerígeno (DANY et al, 2012).
Segundo Cheenpracha et al. (2010), os frutos da Moringa oleifera apresentam compostos que agem como inibidores do óxido nítrico, o qual é um dos mediadores inflamatórios que causam inflamação em vários órgãos. Vasanth et al (2015) fizeram a mesma investigação, porém utilizando a casca do caule.
Assim como Dany et al. (2012), Guevara et al. (1999) também já havia investigado o potencial anti-cancerígeno da moringa. Porém esses últimos fizeram a investigação baseados nas sementes e encontraram um composto que pode ser um agente químico-preventivo na carcinogenese química. Apresenta também potencial anti-inflamatório quando em solução etanólica (MAHAJAN E MEHTA, 2010).
Das sementes, também é possível se extrair o pó para atuar como elemento de ligação no preparo de hambúrguer de carne (AL-JUHAIMI et al., 2016). Além disso, dentre outras aplicações das sementes, quando em extrato aquoso, essas apresentam um agente ativo de proteínas catiônicas que atuam como agente clarificante no tratamento de água (NDABIGENGESERE et al., 1995).
Para viabilizar a aplicação das sementes da moringa, há a necessidade de se remover a casca das sementes antes que essas sejam trituradas. No entanto, o processamento das sementes é um dos entraves para ampliar a sua utilização, visto que atualmente é realizado de forma manual, tornando o processo lento e difícil de ser aplicado em maior escala.
Tendo em vista tal dificuldade, o objetivo desse trabalho foi desenvolver um equipamento capaz de realizar o processamento da moringa, focando na etapa de descascamento das sementes.
2. HIPÓTESE
A partir da caracterização física e mecânica das sementes de moringa, é possível desenvolver equipamento que realize o processamento dessas sementes.
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivo Geral
Desenvolver um equipamento capaz de realizar o processamento das sementes de Moringa oleifera, focando na etapa de descascamento das sementes.
3.2. Objetivos Específicos
• Caracterizar fisicamente as sementes de moringa;
• Determinar padrão de atividade biológica para as sementes de moringa em diferentes estádios de maturação por meio da técnica denominada Biospeckle;
• Quantificar o teor de proteína contido nas sementes dos lotes avaliados para correlacionar com as demais características levantadas;
• Analisar comportamento viscoelástico das sementes quando submetidas a esforços através de ensaios mecânicos e de técnicas de moiré;
• Desenvolver e avaliar equipamento para processamento das sementes de moringa.
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1. Cultura da Moringa oleifera
A moringa (Moringa oleifera) é uma espécie perene, da família Moringaceae, originária do nordeste indiano, amplamente distribuída na Índia, Egito Filipinas, Ceilão, Tailândia, Malásia, Burma, Paquistão, Singapura e Nigéria (PIO CORRÊA E PENA, 1984 apud GALLÃO et al, 2006). Tal planta foi introduzida no Brasil no início do século XIX como planta ornamental, porém seu uso como coagulante só teve início em 1996, com a vinda de JAHN (Samia Al Azharia), que em visita ao nordeste brasileiro orientou um “workshop” em Pernambuco proferindo palestras em diferentes lugares do país, divulgando essa cultura (GERDES, 1996 apud BORBA, 2001).
A árvore de moringa apresenta grande potencial de crescimento na sua produção e importância, visto que todos os seus órgãos podem ser utilizados. As folhas apresentam grande valor nutricional, visto que são ricas em vitaminas e alguns aminoácidos essenciais. Isso provê às folhas, capacidade antioxidante e anti-inflamatória, além de complemento vitamínico. Já existem empresas que estão explorando esse potencial e comercializando o produto já processado, como por exemplo a empresa Naturinga, de capital português, a qual comercializa cápsulas de suplemento alimentar, chá e bebida de suplemento alimentar para crianças.
Além das folhas, existem relatos de usos para as sementes da Moringa oleifera. Há grandes indústrias de cosméticos que vem empregando o óleo das sementes para produção de cosméticos, como por exemplo Kérastase, Redken, The Body Shop e Natura. Há estudos de utilização desse óleo para a produção de biodiesel também (RASHID et al., 2008; SILVA et al, 2010).
Um outro emprego das sementes deve-se ao fato de apresentarem em sua composição um agente ativo de proteínas catiônica que são hidrossolúveis e, quando em extrato aquoso, atuam como agente clarificante, desestabilizando partículas contidas na água em meio líquido através dos mecanismos de adsorção e neutralização da coagulação (NDABIGENGESERE et al., 1995). Além disso, ainda segundo os autores, a moringa não é tóxica e é biodegradável, não afetando o pH nem a condutividade do meio após o tratamento.
Possuindo como composto predominante a proteína, cerca de 40% segundo Gallão (2006), as sementes de moringa são bastante utilizadas na
clarificação de águas turvas em diversas regiões carentes do planeta, como no Sudão, em outros países da África, no Nordeste brasileiro, entre outros (BORBA, 2001).
A capacidade da Moringa de coagular e flocular colóides em águas naturais que exibem cor e turbidez, é atribuida a uma proteína floculante, isolada pelos pesquisadores Gassenschmidit U, Jany KD, Tanscher B, Niebergall H, na Alemanha, em 1995, a qual tem massa molecular da ordem de 150.000 unidades (BORBA, 2001). Porém, Okuda et al (2001) realizaram a extração da proteína em solução salina e concluíram que trata-se de um componente ativo diferente daquele extraído quando em solução aquosa. Para essa extração em NaCl, os autores determinaram a massa molecular na ordem de 3000 Dalton.
Pritchard et al. (2010) testaram uma forma alternativa de realizar essa dosagem. Confinaram o pó das sementes de Moringa em sachês feitos a base de musselina. No entanto, com base nos resultados obtidos, os autores afirmam ser necessária uma otimização desse método.
Além deste, foi desenvolvido um estudo comparativo entre a eficiência do coagulante de semente de moringa e coagulante à base de alumínio, concluindo-se que os dois coagulantes obtiveram o mesmo desempenho (AMAGLOH et al., 2009).
Pritchard et al. (2010) também conduziram estudos comparativos do coagulante à base de Moringa com coagulantes sintéticos, à base de alumínio e ferro. Concluíram que em algumas das condições testadas os coagulantes sintéticos superaram o coagulante natural, além de requererem menores dosagens para atingirem um ótimo de redução. No entanto, quando empregada a filtração em filtros de areia após a coagulação com moringa, verificaram redução de turbidez e de bactérias.
Ainda pode-se acrescentar como vantagens da moringa suas propriedades antimicrobianas e a possibilidade da produção da solução coagulante no próprio local de utilização, reduzindo-se, assim, o custo do tratamento da água.
Outros trabalhos também confirmaram a ação bactericida da moringa, dentre eles, destacam-se os trabalhos de Francisco et al. (2010) e Arantes et al. (2010), nos quais foi observada a redução de E.coli com a utilização do coagulante à base de moringa. Ferreira et al. (2011) conduziram trabalho no qual verificaram que as proteínas coagulantes da moringa apresentaram capacidade de redução das populações de E. coli, Bacillus thuriensis e Pseudomonas aeruginosa.
Uma das limitações ao uso da solução de moringa na redução da turbidez na água esta associada ao fato do seu potencial decrescer com o decorrer do tempo de armazenamento das sementes, tanto para armazenamento refrigerado (3°C) quanto para armazenamento à temperatura ambiente (28°C) (KATAYON et al., 2006).
Devido a essa dificuldade de armazenamento se faz necessário o desenvolvimento de tecnologias que tornem mais fácil e prático o processamento da moringa.
4.2. O problema e a sua importância
A dificuldade em realizar o processo manual, além de ser um problema que limita a aplicação em escala, também pode gerar uma forma de resistência do usuário ao emprego das técnicas alternativas de tratamento de água devido ao grande tempo despendido apenas para uma etapa do processo. Assim, surgiu a necessidade de se desenvolver um equipamento capaz de automatizar o processamento das sementes, desde as vagens inteiras ao pó das sementes processadas. Para tal, é preciso que existam informações sobre as características mecânicas das sementes, a fim de que se tenha conhecimento das tensões suportadas pelo material, sem que haja danos que comprometam o produto final, como, por exemplo, maceração das sementes.
No entanto, não existem muitos estudos dedicados à exploração dessas áreas. Grande parte dos trabalhos apresentados pela literatura são devotados à análise da composição química das sementes de moringa, característica essa importante para entender as reações químicas envolvidas nas operações unitárias de tratamento de água.
4.3. Equipamentos desenvolvidos para outros produtos
Alguns autores já desenvolveram equipamentos para o processamento de outros produtos agrícolas, sendo cada um deles desenvolvido segundo as características físico-mecânicas específicas requeridas para a ruptura das cascas. Segundo Araujo (2005), ensaios são necessários para a determinação de qual o melhor parâmetro para determinação do ponto de ruptura: força máxima, deformação específica ou energia. As teorias de ruptura desenvolvidas por autores
clássicos constituem a base da plasticidade e servem de abalizamento para o caso em pauta.
4.3.1. Mamona (Ricinus communis L.)
Visando a ruptura total do tegumento e a liberação completa do endosperma sem que houvesse danos mecânicos aos grãos de mamona, Bastos (2011) desenvolveu dispositivo automático de regulagem da deformação específica limite, com alta taxa de deformação, o qual o autor denominou DIRADEL (Figura 1). Em seu trabalho, o autor visou verificar o efeito da temperatura de secagem nas propriedades físico-mecânicas dos grãos de mamona da cultivar ‘AL Guarany 2002’.
Figura 1: Equipamento DIRADEL (Fonte: BASTOS, 2011)
(a) (b)
Anteriormente, Mialhe (1969) também desenvolveu equipamento para descascar frutos da mamoneira (Ricinus communis L.) da variedade “Campinas”. Tratava-se de um dispositivo com dois discos metálicos, revestidos com uma camada de borracha, superpostos e axialmente coincidentes acoplado à tomada de potência (TDP) de um trator (Figura 2). Para tal, foi primeiramente desenvolvido uma descascadora experimental que permitiu o desenvolvimento de um método de ensaios possibilitando o estudo dos fatores que afetavam o desempenho do
mecanismo descascador. 54
muito esforço, podendo ser utilizando em bancadas ou mesas existentes, sem necessidade de estruturas especiais. Sua única restrição é a necessidade de uma linha de ar comprimido para efetuar os ensaios, pois o equipamento não possui compressor de ar independente.
O equipamento constitui em 4 partes principais: Estrutura (A), Mesa de levantamento vertical (B), Componentes pneumáticos (C) e Componentes eletrônicos (D). O equipamento é mostrado nas Figuras 21 e 22 e as partes são descritas nos itens seguintes.
Figura 21. Vista frontal do DIRADEL com as
partes construístes. Figura 22. Vista lateral do DIRADEL. O Apêndice 8.1 demonstra um procedimento simplificado para realização dos ensaios utilizando o equipamento.
4.4.1. Estrutura
A estrutura do equipamento foi construída com chapas de aço 1020, confeccionadas com sistema de corte por plasma utilizando equipamento CNC (Computer Numerical Controlled) através de desenhos anteriormente projetados com o auxilio do programa computacional Solid Edge V20 da Siemens®. Após cortadas, as chapas foram dobradas e
efetuada a junção das partes, utilizando solda tipo MIG. Posteriormente foram efetuados os furos existentes e a estrutura foi encaminhada para limpeza, utilizando jato de areia, e finalmente efetuada a pintura. O peso final da estrutura foi em torno de 17 kg.
54
muito esforço, podendo ser utilizando em bancadas ou mesas existentes, sem necessidade de estruturas especiais. Sua única restrição é a necessidade de uma linha de ar comprimido para efetuar os ensaios, pois o equipamento não possui compressor de ar independente.
O equipamento constitui em 4 partes principais: Estrutura (A), Mesa de levantamento vertical (B), Componentes pneumáticos (C) e Componentes eletrônicos (D). O equipamento é mostrado nas Figuras 21 e 22 e as partes são descritas nos itens seguintes.
Figura 21. Vista frontal do DIRADEL com as
partes construístes. Figura 22. Vista lateral do DIRADEL. O Apêndice 8.1 demonstra um procedimento simplificado para realização dos ensaios utilizando o equipamento.
4.4.1. Estrutura
A estrutura do equipamento foi construída com chapas de aço 1020, confeccionadas com sistema de corte por plasma utilizando equipamento CNC (Computer Numerical Controlled) através de desenhos anteriormente projetados com o auxilio do programa computacional Solid Edge V20 da Siemens®. Após cortadas, as chapas foram dobradas e
efetuada a junção das partes, utilizando solda tipo MIG. Posteriormente foram efetuados os furos existentes e a estrutura foi encaminhada para limpeza, utilizando jato de areia, e finalmente efetuada a pintura. O peso final da estrutura foi em torno de 17 kg.
Figura 2: Mecanismo descascador (Fonte: Adaptado de MIALHE, 1969)
4.3.2. Macadâmia (Macadamia intergrifolia)
Tang et al. (1982) desenvolveram um descascador precedido por um classificador. Tal descascador foi composto por 2 cilindros com rotações opostas, que provocavam fissuras nas cascas (Figura 3). Para esse desenvolvimento, estudaram a deformação da macadâmia e o padrão de rompimento das cascas. O classificador tinha como função não permitir que grãos pequenos fossem submetidos a esforços menores que os necessários e que os grãos grandes sofressem tensão maior que a máxima e, consequentemente, danificassem o produto.
Figura 3: Princípio de funcionamento do descascador (1) e do seletor (2) (Fonte: Adaptado de TANG et al., 1982)
Algumas empresas já produzem e comercializam equipamentos que executam o processamento da macadâmia, desde o fruto até a amêndoa. Dentre elas tem-se a Pinhalense Máquinas Agrícolas, localizada na cidade de Espírito Santo do Pinhal, SP. Os equipamentos e as etapas realizadas, que estão descritos no Boletim Técnico 080903, são: descarpelamento e seleção, lavagem e separação, secagem e beneficiamento.
4.3.3. Castanha de caju (Anacardium occidentale)
Jain et al. (1997) iniciaram estudo para desenvolvimento de equipamento automático de decortização devido ao levantamento da necessidade de aumentar a eficiência de obtenção da castanha (maior porcentagem de amêndoas inteiras) e melhorar o trabalho manual que é entediante, demanda tempo e requer um trabalho bastante intensivo. Além disso, o descascamento das castanhas de caju pode liberar um líquido corrosivo prejudicial à saúde do manipulador. Esse equipamento foi baseado em 2 discos, um fixo e outro rotativo (Figura 4). O segundo era submetido a um carregamento através de mola que exercia pressão sobre as castanhas. O rompimento das cascas dava-se por essa pressão e pela diferença de velocidade dos discos, submetendo o produto a um esforço de cisalhamento.
Figura 4: Descascador contínuo baseado em um disco fixo (a) e em outro rotativo (b) (Fonte: Adaptado de JAIN et al., 1997)
4.3.4. Teca (Tectona grandis)
Ferraz et al. (1998) desenvolveram sistema mecânico que visava a retirada do pericarpo dos frutos, deixando-os mais frágeis e uniformes. Para tal, construiu-se um protótipo composto por um par de discos rotativos com faces estriadas (Figura 5 (a)).
Tendo em vista alguns inconvenientes constatados nesse primeiro protótipo, os autores fizeram algumas alterações para manter uma pressão entre os discos relativamente constante sobre os frutos e para uniformizar a alimentação do dispositivo, conforme pode ser visto na Figura 5 (b). Para tal, os autores modificaram o disco superior, que ganhou uma inclinação e um alimentador helicoidal, além de um ajuste vertical para a distância entre os discos. O disco inferior, solidário ao helicoide alimentador, ganhou movimento.
Figura 5: Diagramas esquemáticos do descorticador de discos (a) planos e (b) com disco superior modificado (Fonte: Adaptado de FERRAZ et al., 1998)
(a) (b)
Além do descorticador, Ferraz et al. (1998) projetaram uma unidade quebradora dos caroços de teca (Figura 6). Segundo os autores, a unidade consiste num par de cilindros rotativos em aço, dispostos paralelamente e com abertura ajustável. O diâmetro dos cilindros foi calculado de forma a permitir que os caroços fossem aprisionados entre as superfícies dos cilindros e comprimidos sem auxílio de outra força externa.
Figura 6: Representação esquemática da unidade quebradora (Adaptado de FERRAZ et al., 1998)
4.4. Fragmentação de sólidos
A fragmentação é um termo genérico usado para a redução de tamanho, incluindo diferentes operações como britagem, moagem, trituração, picar e redução a cubos. Os mecanismos de redução deformam o produto, até que ele se quebre ou rompa. Essa alteração em materiais duros ocorre ao longo de rachaduras ou defeitos nas suas estruturas quando essas são submetidas a esforços diversos. Dentre eles, comumente são usados em processamento de alimentos, tem-se a compressão, o impacto, o atrito ou o cisalhamento e o corte (ORTEGA-RIVAS, 2009).
Ainda segundo o autor, existem alguns equipamentos para o processo de redução de tamanho de produtos. Na Figura 7 é possível observar um desses equipamentos, constituído por dois rolos paralelos que giram em sentidos opostos. O produto a ser esmagado é colocado no compartimento de alimentação antes de passar entre esses rolos.
Figura 7: Equipamentos para redução de tamanho – “Rolos de Esmagamento” (Adaptado de ORTEGA-RIVAS, 2009)
Outro exemplo é o Moinho de Martelo (Figura 8), o qual é constituído por um rotor envolto por um colar de martelos. Ao girar, os martelos balançam e lançam o produto contra a placa de impacto. Depois disso o produto é conduzido por gravidade para a tela inferior. Esse procedimento é repetido até que o produto atinja o tamanho adequado, isto é, quando ele atinge um tamanho que o permita passar pelos vãos da tela.
Figura 8: Equipamentos para redução de tamanho – “Moinho de Martelo” (Adaptado de ORTEGA-RIVAS, 2009)
Um equipamento que utiliza o princípio do atrito é o Moinho de Disco de Atrito (Figura 9). O seu funcionamento é baseado em 2 discos paralelos, um fixo e outro rotacional ou em 2 discos que rotacionam em sentidos opostos. O produto é triturado devido ao atrito promovido pelos discos em contato com esse.
Figura 9: Equipamentos para redução de tamanho – “Moinho de Disco de Atrito” (Adaptado de ORTEGA-RIVAS, 2009)
4.5. Colhedora de soja
No processo de colheita da soja, as colhedoras recolhem a planta inteira e fornecem ao final apenas os grãos já debulhados das vagens e separados das folhas, galhos e outros elementos indesejados. Para essas operações, as colhedoras realizam as seguintes etapas:
• Corte e Alimentação; • Trilha;
• Separação e Limpeza; • Manejo dos grãos.
No presente trabalho, foi dado maior enfoque aos mecanismos de Trilha e Separação e Limpeza, visando obter maior subsídio para projetar o equipamento para processar a moringa. Essas operações são mostradas em destaque na Figura 10 (A) e (B), respectivamente.
Figura 10: Destaque para os mecanismos de trilha (A) e para os mecanismos de limpeza e separação (B) presentes na colhedora de soja (Fonte: Adaptado de
4.5.1. Trilha
Os mecanismos de trilha utilizados nas colhedoras são basicamente três: cilindro de dentes e côncavo, cilindro de barras e côncavo e cilindro com fluxo axial (HEIFFIG, 2006).
O cilindro de dentes consiste de um cilindro composto por duas flanges laterais nas quais estão presas barras contendo os dentes responsáveis pela trilha. O côncavo é composto por uma chapa perfurada curva, com um comprimento suficiente para cobrir ¼ da circunferência do cilindro trilhador (HEIFFIG, 2006).
Na Figura 10 (A), está representado um cilindro de dentes, que vem acompanhado de um côncavo com duas fileiras de dentes também. Durante o funcionamento do conjunto trilhador, os dentes ficam dispostos de tal forma que um dente do cilindro passe entre dois dentes de duas fileiras do côncavo, auxiliando na debulha (HEIFFIG, 2006).
4.5.2. Separação e limpeza
O mecanismo de limpeza consiste na retirada de elementos indesejados, mantendo apenas os grãos debulhados. Segundo Heiffig (2006), essa separação começa a ser feita na grade do côncavo, grades do cilindro e, por fim, no saca-palhas.
Conforme pôde ser observado na Figura 10 (B), esse mecanismo de seleção e limpeza é composto por um batedor traseiro, um pente côncavo, uma cortina de chapa e outra de lona, um saca-palhas e uma bandeja. Esse primeiro componente tem a função de reduzir a velocidade que o material sai do conjunto cilindro-côncavo e de direciona-lo ao saca-palhas. Para auxiliar o batedor traseiro, existe um pente do côncavo, o qual impede que possíveis partes que passem pelo batedor não sejam direcionados para o saca palhas (HEIFFIG, 2006). Ainda segundo o autor, a principal função do saca-palhas é mover rapidamente a palha pela máquina, mas não tão rápido que o grão não seja separado da palhada e nem tão lento que o batedor ao invés de bater o material na direção do saca-palhas o faça retornar ao conjunto cilindro-côncavo.
Após a etapa de separação, os grãos passam para a etapa de limpeza. Essa passagem pode ser feita por gravidade ou por meio de um transportador. Os principais mecanismos de limpeza são: peneira superior, peneira inferior e ventilador. Essas partes estão apresentadas na Figura 11.
Figura 11: Sistema de limpeza com transporte por gravidade (Adaptado de HEIFFIG, 2006).
A peneira superior trabalha por vibração e retém impurezas mais grosseiras. Essas impurezas são eliminadas pelo ar soprado pelo ventilador. Para tal, o ventilador deve estar calibrado de tal forma que seja robusto o suficiente para levar as impurezas para fora da máquina, mas também deve ser amena para não soprar os grãos junto com as impurezas. Dessa forma, é de grande importância para o dimensionamento e a calibração do sistema conhecer a velocidade terminal do grão a ser limpo.
4.6. Biospeckle
Existem alguns métodos para avaliação de sementes, por exemplo, para determinar a viabilidade das mesmas. Podem-se citar os métodos ópticos, dentre os quais o uso de raios-X que pode fornecer informações de defeitos internos, e a utilização da técnica Biospeckle, que é um fenômeno de interferência que carrega informações do material que está sendo exposto a uma fonte de luz coerente.
Os estudos para aplicação do Biospeckle em sementes estão relacionados com a avaliação do teor de água, a diferenciação dos níveis de atividade metabólica do tecido vegetal e detecção de patógenos. Em uma semente, a quantidade de água está relacionada com a intensidade do processo metabólico, sendo que este tem influência na variação temporal dos pontos de interferência do Biospeckle, conforme observado por Rodrigues et al. (2005).
Para entender o fenômeno conhecido como Biospeckle, deve-se partir da observação da incidência do laser em uma superfície, resultando em uma figura de interferência conhecida por speckle (granulado), proveniente da alta coerência do laser. Em uma superfície ou objeto que apresente algum tipo de atividade, o fenômeno do speckle se transforma no speckle dinâmico ou biospeckle.
O fenômeno óptico da interferência pode ser notado quando se ilumina com laser fenômenos não biológicos, como o processo de corrosão em metais e a evaporação da água na secagem de materiais. Nestes casos o fenômeno óptico recebe a denominação de speckle dinâmico. Se o objeto difusor se move como em tecidos biológicos, os grãos individuais do padrão de speckle também se movem alterando, assim, a sua forma. Esse fenômeno é muitas vezes denominado de boiling speckle devido ao fato de sua aparência visual ser similar a um líquido em ebulição, podendo também ser descrito como um fervilhamento luminoso (RABELO, 2000).
A técnica do Biospeckle pode ser avaliada através das seguintes metodologias: Fujii, Diferenças Generalizadas (DG), Momento de Inércia (MI), Método do Contraste e Autocorrelação.
4.6.1. Momento de Inércia (MI)
O método de MI foi o escolhido para o presente trabalho por se tratar de um método de fácil captura de imagens para análise (vídeo de cerca de 10 segundos). Esse método é baseado na variação temporal do speckle.
Segundo Rabelo (2000), o speckle trata-se de um processo que se inicia com a aquisição de 512 imagens sucessivas da amostra iluminada, de forma que apenas a coluna central de cada imagem é selecionada. Com essas colunas, é construída uma nova imagem de 512 x 512 elementos, denominada “Padrão da História Temporal do speckle” (THSP – Time History Speckle Pattern) ou STS (Spatial Temporal Speckle). O STS pode ser entendido como uma matriz onde as linhas representam pontos diferentes do objeto, ou seja, a parte espacial da imagem e as colunas representam sua intensidade em todos os instantes amostrados (a parte temporal).
A ocorrência de algum movimento superficial ou interno do material será transmitida para a figura do speckle formado e assim, a coluna observada será diferente da anterior. Por outro lado, se a figura formada for composta por linhas
! 43!
bem definidas, significa que não está ocorrendo mudança na formação do speckle de uma imagem para a outra, repetindo sempre o padrão anterior. A Figura 12 mostra um padrão STS de baixa atividade (a) e de alta atividade (b). (RABELO, 2000).
Figura 12: Padrão STS de um produto com baixa atividade (a) e de um produto com alta atividade (b) (Adaptado de RABELO, 2000)
(a) (b)
Considerando que o STS carrega informações da atividade do material sob estudo, cada tipo de material apresenta um padrão STS diferente. Isso pode ser percebido através de inspeção visual, porém valores numéricos são necessários para efeito de comparação através de processos artificiais objetivos e mais precisos. Dessa forma, torna-se necessário transformar essa imagem em um número ou índice de quantificação para permitir diferenciar os objetos que apresentam níveis de atividades distintos (RABELO, 2000).
Para se obter esse índice, alguns cálculos são necessários.
Seja u uma variável aleatória que representa o nível de intensidade de uma dada região da imagem. A função densidade de probabilidade (pu(x)) é definida
por:
!! ! = !"#$ ! = ! =!ú!"#$!!"!!"!#!$%&'!!"#!!í!"#!!!ú!"#$!!"!#$!!"!!"!#!$%&' Equação 1 em que x=0, ..., L-1
Revisão Bibliográfica
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Figura 3.12 - Padrão STS de um produto com baixa atividade
Figura 3.13 - Padrão STS de um produto com alta atividade
67
Figura 3.12 - Padrão STS de um produto com baixa atividade
Figura 3.13 - Padrão STS de um produto com alta atividade
Segundo Jain (1989), a probabilidade combinada de Segunda Ordem tem sido bastante útil em aplicações com extração da textura de imagens. Essa função é definida por:
!! !!, !! = !!!,!! !!, !! = !"#$ !!= !!, !!= !!! Equação 2
!! !!, !! =!ú!"#$!!"!!"#$%!!"!!"!#!$%&'!!"#!!í!"#$!!!!!!,!!!!!
!ú!"#$!!"!#$!!"!!"#$%!!"!!"!#!$%&'!!"!!"#$%" Equação 3
em que: u1 e u2 são dois elementos (pixels) sucessivos na imagem
x1 e x2 são os valores das intensidades desses elementos
Assim foi desenvolvido um processo baseado nas ocorrências de valores de intensidade sucessivos dos elementos que compõe a imagem do STS. O processo transforma o STS em uma matriz de ocorrências denominada concurrence matrix (MOC), que é definida como:
!"# = !!" Equação 4
em que: Nij é o número de ocorrências de intensidades
i, j são as intensidades sucessivas
As entradas são os números de ocorrências que um certo valor de intensidade i é seguido por um valor de intensidade j (ARIZAGA et al., 1999).
Para melhor entendimento, Rabelo (2000) considerou a imagem ilustrada na Figura 13, como sendo uma imagem da evolução temporal de um padrão speckle composta por 4x4 elementos e no máximo 4 níveis de intensidade, o que corresponde a um sistema de 2 bits.
Figura 13: Simulação de STS de alta atividade (Fonte: Rabelo, 2000)
Essa figura pode ser transformada em uma matriz de intensidades (M1),
na qual são considerados os valores das intensidades de cada elemento da imagem, para, em seguida, obter-se a MOC. A matriz de intensidades da simulação da Figura 13 é representada pela matriz seguinte:
M1=
Já a matriz de ocorrências (MOC), na qual as linhas representam um certo nível de intensidade seguido por outro nível de intensidade representado pela coluna, é representada pela seguinte matriz:
A MOC foi construída adotando o seguinte raciocínio: a intensidade 1 seguida da intensidade 4 ocorre 4 vezes na matriz de intensidades. Assim, na posição da linha 1 e da coluna 4 da MOC, coloca-se o valor 4. Da mesma forma, a ocorrência da intensidade 4 seguida da intensidade 3 ocorre apenas 1 vez. Portanto, na posição (4,3) da MOC será colocado o valor 1.
Para normalizar a matriz de ocorrências, cada valor é dividido pelo número total de ocorrências de cada linha detectado na imagem. Dessa forma, o somatório de todas as ocorrências em cada linha se torna igual à unidade resultando em uma matriz de ocorrências modificada (MOM). Após esse processo, atribuem-se valores de intensidade para cada valor de ocorrência normalizada, de forma que o maior valor seja equivalente ao branco (256) e o menor valor seja equivalente ao negro (0).
A MOM é a transformação de MOC em uma imagem na qual, para cada ocorrência, é atribuído um nível de intensidade (Figura 14).
Figura 14: MOM da STS de alta atividade (Fonte: RABELO, 2000)
A diagonal principal da MOC e da MOM está relacionada às regiões homogêneas da imagem, cujos valores de intensidades são estáveis e não se alteram com o tempo, enquanto que as regiões mais afastadas da diagonal principal com valores não nulos se relacionam às zonas de grande contraste de intensidade.
Ainda segundo Rabelo (2000), sendo a variável de interesse o tempo, os valores de ocorrência indicam quantas vezes um valor de intensidade i é seguido no próximo intervalo de tempo por um valor de intensidade j no STS. Caso a
intensidade não se altere com o tempo, os únicos valores não nulos da matriz de ocorrências pertencerão à sua diagonal principal, caracterizando um material de baixa atividade. Caso seja um material de alta atividade, as intensidades apresentarão mudanças e começarão a aparecer valores de ocorrências não nulos fora da diagonal principal, chegando em alguns casos a formar uma nuvem em torno dela. Essa diferenciação pode ser observada na Figura 15.
Figura 15: STS e MOM de materiais com baixa e alta atividade (Fonte: Adaptado de RABELO, 2000) STS MOM Baixa atividade Alta atividade
A fim de se obter um valor numérico que permita quantificar as diferenças entre duas imagens distintas pode ser aplicado o conceito de momento de segunda ordem. Esse cálculo é aplicado na matriz de ocorrências (MOC) com respeito à sua diagonal principal na direção das linhas, constituindo o módulo de dispersão de intensidades (MDI), também referido na literatura como momento de inércia da imagem (MI) (RABELO, 2000).
Ainda segundo o autor, o MI consiste no somatório dos produtos dos valores de intensidade da matriz pelo quadrado da distância entre cada elemento da matriz e a diagonal principal:
!" = !"!!" ! − ! ! Equação 5
Tendo em vista a Equação !" = !"!!" ! − ! ! Equação 5,
entende-se a razão pela qual esse método de avaliação do Biospeckle recebe essa denominação. Isso se deve à semelhança que há entre essa equação e a equação do “Momento de Inércia” da mecânica clássica:
! = ! ∙ !! Equação 6
onde I é o Momento de Inércia m é a massa do objeto
R é a distância de um ponto fixo
4.7. Técnicas de moiré
As técnicas perfilométricas são usadas para gerar uma superfície tridimensional ou contornos topográficos dos objetos, permitindo assim a análise de objetos e locais a fim de adquirir informações sobre sua forma. Essas técnicas formam um grupo de pontos da superfície do objeto, o qual pode ser usado para criar sua forma através de um processo conhecido como reconstrução, podendo criar um Modelo Digital Topográfico (MDT) do objeto (SILVA, 2011).
Segundo Lino (2002), as técnicas perfilométricas podem ser divididas em ativas e passivas. A principal diferença entre essas é a fonte de luz. As técnicas passivas empregam a luz ambiente para iluminar o objeto, enquanto que as ativas utilizam outras fontes externas de luz. A técnica de moiré está inserida nas técnicas perfilométricas ativas.
As técnicas de moiré (TM) formam um conjunto de técnicas versáteis baseadas no fenômeno de moiré, empregados na medição de deformações no plano e fora do plano, contornos topográficos, inclinação, curvatura e formas dos objetos (ASSUNDI; YUNG, 1991).
Segundo Sciammarella (1982), se dois sistemas de linhas sobrepostas são densas o suficiente e apresentam alguma regularidade, esses formam um
padrão conhecido como franjas de moiré. As técnicas de moiré são baseadas no estado de determinação da superfície, a qual é caracterizada por uma grade, chamada de grade de referência. Essa grade age como um elemento de referência das mudanças na superfície inicial ou como estado de referência para o final ou estado deformado. As mudanças caracterizam as deformações relativas da superfície em estudo. Visando determinar as mudanças na geometria da grade de referência, uma segunda grade é introduzida. A superposição dessas duas grades produzem as franjas de moiré (Figura 16). Essas são formadas no plano do sistema de observação.
Figura 16: Franjas de moiré geradas pela sobreposição de duas grades (Fonte:
Lino, 2002)
Quando ocorre o deslocamento perpendicular às linhas dessas duas grades sobrepostas, ou movimentação da grade de referência com relação à grade do espécime, ocorre o aumento dos pontos de dados. Esse é o método de “fringe shifting”. Ele não aumenta a precisão dos dados de cada ponto, porém o aumento dos pontos de dados prevê um gráfico com precisão estatística melhorada (POST et al., 1994).
Segundo Cardoso (2013), por meio das técnicas de moiré, também é possível correlacionar os resultados em pixels obtidos com as franjas de moiré com o par “tensão-deformação” em ensaios de aplicação de força e relaxamento. O autor utilizou TM de sombra como forma de comparação com resultados obtidos através de simulação computacional por elementos finitos e a técnica de extensometria com strain gauges.
No caso da medição de deslocamentos, esses podem ocorrer no plano x-y ou fora dele. No primeiro caso, esses deslocamentos podem ser medidos por moiré geométrico, moiré interferométrico ou microscopia de moiré interferométrico. Já no segundo caso, podem ser medidos por interferometria clássica, interferometria
holográfica, moiré de Projeção ou moiré de sombra (POST et al., 1994). Lino (2002) ainda acrescenta a essas metodologias, a técnica de moiré de reflexão para medida de deslocamento.
Porém, as TM mais empregadas são as de Projeção e Sombra. Em ambos ocorre a determinação da topografia da superfície do espécime e, em metrologia, são usadas para documentar a forma tridimensional dos corpos (POST et al., 1994).
4.7.1. Moiré de Sombra
Esta técnica tem alta acurácia e permite visualizar instantaneamente as franjas de moiré (LINO, 2002), sendo uma técnica interessante para o estudo de fenômenos dinâmicos. Porém não possibilita a automatização do processo, pois não é possível reconhecer automaticamente picos e vales, o que a inviabiliza para uso em linhas de produção. Outro problema é que à medida que aumenta a distância entre o objeto e a grade de referência, a sombra da grade fica menos nítida prejudicando a visualização das franjas de moiré.
Na TM de sombra um retículo constituído de faixas claras (transparentes) e escuras é colocado à frente do objeto em estudo. A superfície desse objeto deve ser preparada com tinta branca fosca (POST et al., 1994). Quando o conjunto objeto-retículo é iluminado por uma fonte, a sombra do retículo é projetada sobre a superfície do objeto. As franjas de moiré são formadas pela interferência entre o retículo e a sua sombra, visto que o observador recebe a luz que é dispersa/espalhada na sua direção pelo espécime fosco (assume-se que a propagação da luz é retilínea). Essas franjas são linhas de mesma cota e correspondem às curvas em nível de um mapa topográfico. Esta técnica traz como vantagem a observação instantânea das franjas de moiré. Na Figura 17, está apresentado um esquema de como são adquiridas as imagens da técnica de moiré.
Figura 17: Esquema para obtenção das imagens na técnica de moiré de sombra
(Fonte: Adaptado de GAZZOLA, 2011)
!
A desvantagem dessa técnica é a necessidade da utilização da grade física, fato que limita o tamanho da superfície analisada e, por vezes, pode produzir uma sombra indesejada na superfície. Além disso, necessita que a grade seja constituída de linhas bem finas.
4.7.2. Moiré de Projeção
Na técnica de moiré de Projeção, um retículo é projetado obliquamente à superfície do objeto. Esse é deformado, modulando ou acompanhando a topografia do mesmo. Obtém-se uma imagem desse retículo. O mesmo retículo é então projetado sobre a superfície de um plano colocado no mesmo lugar do objeto estudado, obtendo-se sua imagem. As franjas são formadas pela sobreposição das duas imagens. Essas franjas correspondem a linhas de mesma cota. O aparato experimental para a obtenção das imagens por essa técnica está mostrado na Figura 18.
Figura 18: Esquema para obtenção das imagens na técnica de moiré de Projeção
(Fonte: Adaptado de MOHAMMADI et al., 2010)
As franjas geradas por moiré de Projeção não pode ser visualizada instantaneamente, pois necessita da associação de duas imagens para a visualização das franjas: a grade é projetada no objeto e as fotos deformadas e indeformadas são posteriormente sobrepostas em computador.
Apesar de ter menor acurácia que moiré de Sombra, pois a frequência das grades projetadas está relacionada com a resolução da câmera e do projetor, apresenta a vantagem de não necessitar de uma grade física, o que limitaria o tamanho da superfície estudada. A desvantagem é que o sistema óptico necessário para o moiré de Projeção é mais complexo e as linhas individuais das grades projetadas devem ser bem definidas. Já no moiré de sombra, apenas as franjas devem ser bem definidas.
5. MATERIAL E MÉTODOS
Os ensaios foram conduzidos no Laboratório de Máquinas Agrícolas, no Laboratório de Tecnologia Pós-Colheita e no Laboratório de Óptica da Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP (FEAGRI).
5.1. Aquisição das sementes objeto de estudo
As sementes da Moringa oleifera foram coletadas em árvores plantadas no campo experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP, seguindo os seguintes critérios para coleta:
• V1 – sementes verdes provenientes de vagens verdes; • V2 – sementes marrons provenientes de vagens verdes;
• V3 – sementes marrons provenientes de vagens secas ainda fechadas na árvore;
• V4 – sementes marrons provenientes de vagens secas já abertas na árvore.
A Figura 19 mostra as sementes dos quatro estádios de maturação das sementes que foram avaliadas.
Figura 19: Quatro estádios de maturação das sementes avaliadas
5.2. Caracterização Física
Essa etapa do trabalho foi conduzida no Laboratório de Tecnologia Pós-Colheita da FEAGRI. Para a caracterização física das sementes em cada estádio de maturação, foram avaliados teor de proteína, teor de gordura, cor e teor de água. Para comparação, também foram realizados ensaios para determinação do valor do Momento de Inércia através do método óptico Biospeckle.
5.2.1. Dimensões
Foram realizadas 10 medições de duas das dimensões das sementes com paquímetro digital, como representado na Figura 20. Por se tratar de uma semente com formato piramidal, ela apresenta, quando em repouso e apoiada sobre uma base, a posição mostrada na figura. Portanto, apenas essas duas dimensões já são suficientes para o desenvolvimento do protótipo para o seu descascamento.
Figura 20: Representação das medidas das sementes
5.2.2. Teor de Óleo
Esse parâmetro não havia sido listado no projeto inicial proposto. No entanto, como foi necessária a retirada do óleo das sementes antes do processo de quantificação da proteína, os dados de teor de óleo também foram avaliados no trabalho.
O método utilizado para a obtenção do teor de óleo foi o Soxhlet da Association of Official Analytical Chemists (AOAC, 1990). Foram conduzidas três repetições para cada estádio de maturação.
Foram pesados aproximadamente 2 g das sementes maceradas, os quais foram colocados em papel de filtro, formando pequenas bolsas com o material dentro. Essas bolsas foram colocadas dentro do recipiente utilizado para a extração do óleo, conforme mostrado na Figura 21. Com o aquecimento e volatização do éter de petróleo e posterior condensamento e circulação através da amostra, ocorreu o carregamento do material que nele se solubiliza. Esse processo foi repetido até que não restasse nenhum material a ser extraído, isto é, por cerca de 6 horas. O éter foi destilado e coletado em outro recipiente e o lipídio remanescente foi pesado.
