IMPACTO DE PRÉ-TRATAMENTOS COM ETANOL E CONGELAMENTO NA SECAGEM DE FATIAS DE MAMÃO: DESEMPENHO DE SECAGEM

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DOI: https://doi.org/10.53934/9786585062060-04

Este trabalho foi escrito por:

Virgínia Mirtes de Alcântara Silva ^*; Raphael Lucas Jacinto Almeida  ; Newton Carlos Santos ; Victor Herbert de Alcântara Ribeiro ;

Raniza de Oliveira Carvalho ; Soraya Alves de Morais 

* Email:[email protected]

Resumo: A secagem é a técnica mais antiga, mais eficaz e mais amplamente utilizada para reduzir o teor de água de materiais biológicos. No entanto, abordagens de secagem inovadoras que possam reduzir o tempo de processo e melhorar a eficiência geral da secagem e a qualidade dos materiais biológicos são necessárias. Portanto, o objetivo do presente trabalho foi analisar a influência do etanol (ET) e do congelamento (C) como pré-tratamentos de secagem em fatias de mamão. Fatias de mamão (5 mm de espessuras) com e sem pré-tratamento foram submetidas a secagem convectiva a 60 °C e 1.5 m s^-1. Com os dados obtidos experimentalmente foi possível calcular a taxa de secagem e ajustar modelos difusivos com duas condições de contorno diferente (tipo 1 e tipo 3). O método combinado ET+C foi mais eficiente na redução do tempo de secagem das fatias de mamão (48%) e o modelo simulando a condição de contorno do terceiro tipo apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais. A difusividade efetiva e coeficiente convectivo foram maiores para ET+C. Portanto, foi confirmado nos resultados apresentados que o pré-tratamento combinado ET+C é o mais viável para secagem de fatias de mamão.

Palavras–chave: condição de contorno; difusão; Page; taxa de secagem; tecnologia verde

INTRODUÇÃO

O mamão (Carica papaya L.) é uma fruta tropical apreciada mundialmente e uma cultura economicamente importante em muitos países devido à sua quantidade de antioxidantes e nutrientes (1). É um fruto climatérico com processo de maturação após a colheita caracterizado por uma série de processos metabólicos, causando alterações físicas e químicas (2). Como fruto climatérico, o mamão libera altas doses de etileno para estimular o processo de amadurecimento, quando não é armazenado adequadamente devido à sua alta taxa de respiração, sua qualidade é deteriorada significativamente, sendo percebida principalmente pelos consumidores devido ao amolecimento da polpa e alteração da cor da casca (3).

A remoção de água até níveis seguros é um dos métodos de processamento mais eficazes para prolongar a vida útil das frutas e vegetais. Para este fim, a secagem convectiva é o processo mais utilizado (4). Apesar de ser um processo antigo, ainda há muitos aspectos a serem melhorados. Por exemplo, há uma demanda contínua por reduzir o tempo de processamento, o consumo de energia e os custos, além de aumentar a qualidade do produto. Uma forma de melhorar esse processo é realizar pré-tratamentos que alteram a estrutura ou composição dos alimentos, facilitando o escoamento da água durante a secagem (5).  

O etanol é um pré-tratamento simples cujo interesse vem crescendo recentemente (5). Alguns possíveis efeitos e mecanismos de como o etanol melhora a secagem de alimentos são modificações na estrutura (em especial nas paredes celulares), mudanças na pressão de vapor e o efeito Marangoni, que é importante considerando o fluxo de capilaridade (6). No entanto, o efeito do etanol pode ser intensificado usando outras tecnologias em conjunto (7), por exemplo o congelamento.

O congelamento rompe gradualmente a estrutura celular alterando o movimento da água; então as células apresentam forma irregular devido à perda de turgor, permanecendo regiões vazias (poros) no interior do tecido devido à nucleação de gelo e crescimento de cristais. Portanto, a ruptura celular, associada ao congelamento, aumenta a porosidade da amostra, o que facilita a remoção de água durante a secagem (8).

Alguns estudos com aplicação de pré-tratamentos aos processos de secagem convectiva de mamão estão disponíveis na literatura, como: secagem a vácuo a baixa temperatura (9), ultrassom e vácuo combinados (10), desidratação osmótica (11) e revestimento probiótico (12), no entanto, nenhum estudo relatando a secagem convectiva do mamão com aplicação de pré-tratamentos baseados em congelamento e aplicação de etanol é encontrado na literatura. Até o momento, um estudo aplicou os pré-tratamentos de congelamento e imersão em etanol em Cambuci (13).  Isso demonstra a necessidade de estudos de secagem com novas matrizes alimentares. Portanto, o presente trabalho analisou a influência do etanol e do congelamento como pré-tratamentos de secagem na cinética de secagem de fatias de mamão.

MATERIAL E MÉTODOS

Matéria-prima e preparação de amostras

Os frutos maduros de mamão (Carica papaya L.) foram fornecidos pela Central de Abastecimento e Serviços Agropecuários (CEASA). Inicialmente, os frutos do mamão foram higienizados com solução de hipoclorito de sódio (200 mg L^-1 de cloro livre) por 15 min e enxaguados com água corrente. Elas foram lavadas e cortadas em fatias de 5 mm (cascas e sementes foram descartadas).

Em triplicata, as amostras foram submetidas a diferentes pré-tratamentos de secagem, sendo eles: (1) Pré-tratamento com etanol (ET) (~0,1 g de amostra/mL etanol), no qual, as fatias foram imersas em etanol absoluto (99,5%, Dinâmica Química Contemporânea, Indaiatuba, Brasil) a 25°C/5min. (2) Pré-tratamento de congelamento (C), incialmente mamões frescos foram congelados (-18 °C). Após o congelamento, foram cortados e descongelados sob refrigeração (6 °C/24 horas). Em seguida, as amostras foram colocadas à temperatura ambiente (25 °C/1 hora) antes da secagem; e (3) Pré-tratamento combinado (ET + C), os frutos foram primeiramente submetidos ao procedimento de C (2), e em seguida ao de ET (1). Todos os procedimentos descritos anteriormente, foram realizados conforme protocolo experimental de Rojas et al. (13).

Avaliação do processo de secagem

A secagem das fatias de mamão (espessura de 5 mm) foi realizada sem pré-tratamentos (controle) e para as fatias submetidas aos pré-tratamentos de etanol (ET), congelamento (C) e a combinação de ambos (ET + C). As fatias foram distribuídas uniformemente em bandejas metálicas (dimensões de 15 x 30 cm) e submetidas à secagem na temperatura de 60 °C, em estufa de circulação de ar (Lucadema 82/480, São Paulo) com velocidade fixada em 1,5 m s^-1 (condições definidas em experimentos preliminares, dados não apresentados). A razão de umidade do processo de secagem foi calculada pelo Método nº 1934, AOAC, (14). A perda de umidade foi registrada por meio de uma balança digital de precisão de 0,001g (Bel, modelo M214AIH, São Paulo), e o processo de secagem foi continuado até que a leitura constante da massa (equilíbrio) fosse registrada.

Taxa de secagem

Na literatura o modelo de Page (15) tem sido aplicado com sucesso para descrever a cinética de secagem de diferentes produtos alimentícios. Uma grande virtude deste modelo empírico simples (com dois parâmetros) é possibilitar a determinação de uma expressão analítica para a taxa de secagem, que normalmente, é determinada através de modelos mais complexos envolvendo o acoplamento entre massa e energia.  Portanto, a Equação 1 representa a derivada do modelo de Page e será utilizada para calcular a taxa de secagem das fatias de mamão (16).

Modelo de difusão

O processo de secagem das fatias de mamão nas diferentes condições de estudo foi descrito por um modelo de difusão, ajustado aos dados experimentais, considerando as fatias de mamão como tendo a geometria de uma parede infinita. Com base na literatura, a condição de contorno do primeiro tipo é usual para a equação de difusão em processos de secagem. Assim, para resolver a equação de difusão por separação de variáveis, assumiu-se que a condição de contorno poderia ser considerada como de primeiro tipo. Para a condição de contorno de primeiro tipo (modelo 1), a solução da equação de difusão é dada pela Equação 2 (17).

Segundo Santos et al. (18) ao considerar que as fatias de mamão são homogêneas e isotrópicas e que o coeficiente de transferência de massa por convecção e a difusão efetiva são constantes durante todo o processo de secagem, a condição de contorno do terceiro tipo pode ser utilizadapara resolver a equação de difusão. Dessa forma, para a condição de contorno do terceiro tipo (modelo 2), a solução da equação de difusão é dada pela equação 3 (19).

Para a definição do melhor modelo ajustado aos dados experimentais, os resultados obtidos foram avaliados através dos indicadores estatísticos: coeficiente de determinação (R2) e qui-quadrado ( ).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 1 mostra que o tempo de secagem das fatias de mamão pré-tratadas diminiu significativamente em comparação com as fatias controle que obtiveram tempo de processo de 750 min. Os percentuais de redução foram de 16% (ET), 32% (C) e 48% (ET+C), evidenciando que essa nova abordagem da combinação dos pré-tratamentos com ET e C para secagem convectiva, foi eficiente na redução do tempo do processo e consequentemente no consumo total de energia. Segundo Tatemoto et al. (20), no pré-tratamento por congelamento, a parede celular do produto é rompida e a água líquida e o vapor, vaporizados na parte interna da fruta, são facilmente liberados. Segundo Rojas et al. (13), os efeitos do etanol na redução do tempo de secagem são dependentes do tempo de pré-tratamento e da estrutura característica da matriz alimentícia, e da concentração de etanol utilizado, razão amostra/etanol e temperatura.

Na Figura 2, estão apresentadas as taxas de secagem das fatias de mamão nas diferentes condições (controle e pré-tratadas), calculadas a partir da derivada do modelo de Page (Equação 1). A taxa de secagem foi maior para as fatias de mamão pré-tratadas do que para as não tratadas, seguindo a ordem decrescente: (~0,72×10^-2 min^-1) ET+C>C>ET>Controle. Segundo Granella et al. (7), além do ET acelerar a taxa de secagem, a formação dos microporos causados pelo C também podem ocasionar maiores taxas de secagem (21).

Observou-se que no início do processo, a taxa de secagem aumentou rapidamente e, após atingir o pico máximo, apresentou um declínio gradual no decorrer do tempo. Segundo Wang et al. (22) a razão pela qual a taxa de secagem cai rapidamente após atingir o valor máximo é que depois que o material perde muita água livre, é preciso mais energia para remover a água ligada, então a taxa se torna mais lenta. Esse mesmo comportamento também foi observado na secagem de fatias de goiabas (18), bananas (7) e maçãs (23).

Com a finalidade de analisar qual condição de contorno apresenta uma solução mais real para descrição da cinética de secagem das fatias de mamão nas diferentes condições, neste trabalho, duas soluções analíticas foram utilizadas para equação de difusão: modelo 1 (com condição de contorno do primeiro tipo) e modelo 2 (com condição de contorno do terceiro tipo). Os resultados obtidos para o modelo 1, estão mostradas na Tabela 1.

O ajuste deste modelo apresentou coeficiente de determinação (R²) superior a 0,97 e inferior a 0,99 (0,97< R² <0,99) e valores de qui-quadrado ( ) variando entre 0,0557 a 0,2167, não representando um bom ajuste aos dados experimentais. No qual, pode ser visualizado através da Figura 3, em que a curva simulada não sobrepõe satisfatoriamente os pontos experimentais.

Os valores da difusividade efetiva (modelo 1) obtiveram variação máxima de 7,2223 x 10^-9 a 14,1330 x 10^-9 m² min^-1 entre as fatias controle e as submetidas ao ET+C. Santos et al. (24) ao utilizarem o mesmo modelo, obtiveram difusividade de 3,28×10^-10  m² s^-1 para secagem de fatias de acuri sem pré-tratamento na temperatura de 60 °C. Segundo Almeida et al. (25) a utilização deste modelo, pode levar a erros significativos, principalmente na descrição dos momentos iniciais do processo, pois o mesmo utiliza apenas o primeiro termo da equação que representa a solução analítica. Por esse motivo, também utilizamos o modelo 2.

Os parâmetros obtidos com as otimizações realizadas usando o modelo 2 também são apresentados na Tabela 2. Devido esta condição de contorno considerar a igualdade dos fluxos difusivo e convectivo na superfície do sólido, a otimização disponibilizou outro parâmetro, o coeficiente convectivo (h). Pode-se verificar que para modelo, os indicadores estatísticos obtidos são significativamente melhores (R²>0,99 e <0,0294) que aquele, no qual o modelo 1 é considerado. Por exemplo, o qui-quadrado ( ) do ajuste referente à otimização do modelo 2 é reduzido em até 42 vezes com relação à otimização do modelo 1, entre os pré-tratamentos.

A difusividade efetiva obtida pelo modelo 2, apresentou valores entre1,7039 x 10^-5 a 3,4855 x 10^-5 m² min^-1 e o coeficiente convectivo (h), valores entre 1,0224 x 10^-5 a 2,1319 x 10^-5 m² min^-1 entre as fatias controle e as submetidas ao ET+C. A difusividade efetiva, bem como o coeficiente convectivo (h), foi maior quando os pré-tratamentos de ET e C foram combinados. Portanto, é possível ver que para as fatias de mamão, o aumento desses valores corresponde ao aumento da taxa de secagem (Figura 2) e redução do tempo de secagem (Figura 1). Estes dados concordam com os estudos anteriores realizados por Santos et al. (18), Rojas et al. (13), Rojas et al. (6) e Rojas e Augusto (26) utilizando diferentes pré-tratamentos de secagem.

   Nota-se que as simulações realizadas usando o modelo 2 geraram curvas (Figura 4) que se ajustaram aos pontos experimentais, de forma mais satisfatória do que para o ajuste encontrado usando o modelo 1 (Figura 3), concordando com o que foi observado ao se analisar os indicadores estatísticos (R² and ). Desta forma, pode-se afirmar que o modelo 2 descreve de forma mais realista o processo de secagem das fatias de mamão nas diferentes condições de pré-tratamento. Em síntese, os modelos difusivos são preferidos pela literatura, visto que os modelos empíricos geralmente são obtidos a partir de simples correlações matemáticas dos dados experimentais e os seus parâmetros, em regra, não possuem significado físico.

CONCLUSÕES

               Os resultados obtidos neste estudo confirmaram que a aplicação dos pré-tratamentos de secagem com etanol e congelamento nas fatias de mamão podem reduzir significativamente o tempo de secagem em até 48% e aumentar a taxa de secagem. O modelo de difusão com condição de contorno de terceiro tipo, apresentou melhor ajuste (R²>0,99), além disso, os pré-tratamentos aumentaram as transferências de massa e de calor durante o processo de secagem e consequentemente, aumentando o coeficiente de difusão de umidade em até 1,7816 x 10^-5 m² min^-1. Portanto, com base nestes achados, o ET+C é o pré-tratamento mais indicando para secagem de fatias de mamão.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo apoio a este estudo e pela bolsa de pesquisa.

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