COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE SUCO DE LARANJA CONCENTRADO CONGELADO

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1 173 COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE SUCO DE LARANJA CONCENTRADO CONGELADO Ivanise Guilherme Branco 1, Carlos Alberto Gasparetto 2 RESUMO A tecnologia de fabricação de suco de laranja concentrado vem se transformando através dos tempos. Apesar desse desenvolvimento tecnológico, algumas operações unitárias existentes no processo do suco de laranja concentrado precisam ainda ser otimizadas e entendido com maiores detalhes em função do comportamento reológico. Neste trabalho foi caracterizado reologicamente o suco de laranja concentrado utilizando o reômetro de cilindros concêntricos com sistema "Searle". Na descrição deste comportamento foi utilizado o modelo de Casson, o qual apresenta o termo tensão inicial. As características reológicas do suco de laranja concentrado foram determinadas em seis diferentes temperaturas:,5; 4,8; 7,; 9,7; 13,4 e 19,4 o C. O comportamento foi, em todos os casos, dependente do tempo. Os reogramas ascendentes e descendentes correspondentes apresentam uma curva de histerese com comportamento tixotrópico. Pôde-se verificar que o teor de água congelada do suco de laranja concentrado afeta acentuadamente a tixotropia do suco. Palavras-chave: suco de laranja, comportamento reológico, tensão inicial, tixotropia, modelo de Casson. RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF FROZEN CONCENTRATED ORANGE JUICE ABSTRACT The production for concentrated orange juice is changing through the years. Despite technological development, some unit operations of the process need to be othimized and understood in more details as regarded of flow behaviour. In this work concentrated orange juice was rheologically characterized a Searle System coaxial cylinder viscometer. The Casson model was used for the behaviour description thus which exhibiting a the yield stress parameter. Rheological characterization were carried out at six different temperatures: -,5, -4,8, -7,, -9,7, -13,7 and -19,4 o C. The behaviour in all cases is time dependent. The increasing and descending rheograms exhibit hysteresis loop with thixotropic behaviour. The results show that frozen water fraction affects strongly concentrated orange juice thixotropy. Keywords: orange juice, rheological behaviour, yield stress, thixotropy, Casson model. Protocolo 1 Professora do Departamento de Engenharia de Alimentos, UNICENTRO, CP 31, CEP 854-8, Guarapuava- PR, Tel (xx42) , 2 Professor FEA- UNICAMP, CP 6121, CEP , Campinas- SP, Tel (xx19) , calgasp@facens.br

2 174 Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto INTRODUÇÃO O estudo do comportamento reológico dependente do tempo do suco de laranja é de grande interesse tecnológico e comercial, principalmente para estabelecer condições de processamento, projetos de equipamentos envolvidos com as operações unitárias relacionadas com transferência de calor, massa e quantidade de movimento, além do desenvolvimento de novos produtos. Suco de laranja concentrado, devido à sua estrutura física e composição, apresenta características não-newtonianas geralmente pseudoplásticas, tensão residual e dependência do tempo. Esta dependencia do tempo tem sido pouco estudada e necessita, para sua quantificação, de reômetro com algum tipo de registrador. Nos fluidos tixotrópicos o comportamento reológico se define em função de três variáveis: tensão de cisalhamento, taxa de deformação e tempo. Os reogramas característicos para estes fluidos são os que relacionam tensão de cisalhamento com taxa de deformação e os que relacionam tensão de cisalhamento ou viscosidade aparente com o tempo à uma taxa de deformação constante. A área definida pelas curvas ascendentes e descendentes do reograma de um fluido dependente do tempo, segundo (Halmos e Tiu, 1981), representa a quantidade de energia necessária para elimimar a influência do tempo e caracteriza o grau de quebra da estrutura interna ocorrida no produto (Weltmann, 1943), ou seja, se a quebra estrutural ocorre, as curvas não coincidem criando o ciclo de histerese. Este método, do estudo do ciclo de histerese, tem a desvantagem de não se fixar o tempo de cisalhamento e nem a máxima taxa de deformação, tornando-se difícil a comparação dos dados com de outros pesquisadores (Figoni e Shoemaker, 1981).Van Wazer et alii (1963), descreveram outro método no qual o ciclo de histerese não depende da taxa de deformação e do tempo de cisalhamento aplicado. Ele consiste em cisalhar a amostra para distintas taxas de deformação até alcançar o equilíbrio. A área entre as curvas não depende das condições de medida. Este procedimento é mais adequado que o citado anteriomente, porém tem como desvantagem a necessidade de se dispor de uma grande quantidade de amostra já que para cada taxa de deformação utiliza-se uma amostra não cisalhada anteriormente. As mudanças estruturais que ocorrem sob ação do cisalhamento são explicadas pela teoria geral dos sistemas dispersos (Costell e Durán, 1978a), devido ao fato do suco de laranja concentrado congelado ser uma suspensão de partículas sólidas e glóbulos de óleo em uma solução líquida complexa - soro- contendo componentes de baixa massa molecular como açúcares, ácidos, sais e também polímeros como a pectina (Vitali, 1983). A aplicação de forças de cisalhamento na estrutura dessas partículas produz a redução do seu tamanho e portanto, a redução da viscosidade aparente do produto (Telis e Gasparetto, 1993). Se a modificação estrutural provocada por essa força for instantânea e não detectável, o escoamento é não-newtoniano independente do tempo (pseudoplástico ou dilatante) e quando contrário, ou seja, modificação lenta e observável, há dependencia do tempo (tixotrópico, antitixotrópico ou reopético), segundo Telis et al. (1991). Cheng e Evans (1975) mostram três tipos distintos de mudança estrutural causada pelo cisalhamento: 1- a estrutura rompe-se durante o cisalhamento e recupera-se posteriormente no período de repouso (tixotropia); 2- durante o cisalhamento a estrutura regenera-se e desintegra-se durante o repouso (antitixotropia e tixotropia negativa) e 3- a estrutura rompe-se a elevadas velocidades de cisalhamento mas a recuperação é acelerada em baixas taxas de deformação e a estrutura assim formada é estável no repouso (reopexia). Scott-Blair (1969) argumentou que para um fluido ser definido como tixotrópico, este deve regenerar totalmente sua estrutura quando deixado em repouso, após cisalhado. Segundo Costell e Durán (1978a), esta definição foi ampliada já que é utilizada inclusive nos casos em que se observa uma mudança estrutural irreversível (reodestruição). Segundo Sherman (197) o termo tixotropia é usado para descrever uma transição estrutural reversível a qual é associada a um aumento na tensão de cisalhamento, seguida de uma redução até o valor original. Material MATERIAL E MÉTODOS Foi utilizado suco de laranja concentrado e congelado, o qual foi fornecido pela citrícula CITROVITA, instalada em Catanduva (S. P.),

3 Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto possuindo concentração de 64.2 o Brix e teor de polpa de 1%. Métodos Na determinação dos dados reológicos, foi utilizado um reômetro de cilindros concêntricos, tipo "Searle", marca Rheotest 2.1. Esse equipamento possui um dispositivo que permite a variação da velocidade de rotação do cilindro interno de,28 a 243 rpm. As análises foram realizadas nas temperaturas de -.5, -4.8, -7., -9.7, e 19.4 o C. A temperatura da amostra foi mantida constante por meio de um banho termostático. O comportamento reológico foi descrito através do modelo desenvolvido por Casson (1959). Este modelo (Equação 1) foi desenvolvido para uma suspensão de partículas interagindo em um meio Newtoniano. em que, 1/2 =Ko +K c 1/2 = 1/2 ; = Taxa de deformação (s -1 ); K c = Viscosidade plástica de Casson (Pa*s) 1/2 ; K o = Tensão inicial (Pa) 1/2. (1) Os valores de torques obtidos no registrador, a cada valor de rpm correspondente, foram convertidos em tensão de cisalhamento e a taxa de deformação foi calculada usando o método de Krieger e Elrold (1953). As curvas dos reogramas ascendentes, descendentes e médias foram ajustadas ao modelo de Casson. Os parâmetros do modelo de Casson foram determinados através de regressão linear utilizando o software Origin. O teor de sólidos totais foi medido utilizando um refratômetro de bancada e o conteúdo de polpa suspensa foi determinado por centrifugação. RESULTADOS E DISCUSSÃO Parâmetros do modelo de Casson Foi calculado o valor da tensão residual das curvas ascendentes (asc), descendentes 175 (des) e médias (Tabela 1) e verificou-se que esta diminui com o aumento da temperatura, assim como a viscosidade plástica de Casson. O ajuste do modelo de Casson, utilizado na caracterização reológica das curvas ascendentes e descendentes, evidencia a presença do efeito tixotrópico pela diferença nos parâmetros K o e K c. O parâmetro K o é menor na curva descendente do que na ascendente e aumenta com a redução da temperatura. Para a viscosidade plástica de Casson K c, ocorre aumento do parâmetro com a redução de temperatura e, em relação às curvas ascendentes e descendentes, verifica-se que praticamente não houve alteração deste parâmetro. Os coeficientes de correlação para análise de regressão foram sempre superiores a.99. Análise da Tixotropia Nos reogramas de tensão de cisalhamento e taxa de deformação, nas diferentes temperaturas de congelamento, verifica-se um lóbulo de histerese, indicando a dependência do tempo e caracterizando o material como tixotrópico. Na medida em que se diminuiu a temperatura, maior foi o efeito da tixotropicidade do suco de laranja concentrado congelado, como pode ser mostrado qualitativamente pela Figura 1 e 2, ou quantitativamente pela Tabela 1. Nas maiores temperaturas a área formada pelas curvas foi menor o que indica que aumentando-se a temperatura a tixotropia do produto diminuiu. Estes resultados são concordantes com os obtidos por Alvarez (1989) para leite condensado. Para Oriol e Pascual (1974), as curvas do lóbulo de histerese devem passar pela origem para que se considere o fluido tixotrópico. Neste trabalho as medidas no reômetro não têm confiabilidade nas menores taxas de deformação e isso levou à existência da tensão inicial quando se fez o ajuste do modelo de comportamento reológico. Na verdade, a diferença na tensão inicial e no índice de consistência, para as curvas ascendentes e descendentes, conforme Tabela 1, é que evidencia a tixotropia.

4 176 Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto Tabela 1 - Parametros do modelo de Casson Média Ascendentes/ descendentes T o C K o (Pa) 1/2 K c (Pa*s) 1/2 R K o (Pa) 1/2 K c (Pa*s) 1/2 R -19,4 5,46 3,323,99 Asc 4,983 3,5224,99-19,4 Des 3,8166 3,588,99-13,7 4,818 3,144,99 Asc 4,855 3,224,99-13,7 Des 3,6376 3,462,99-9,7 3,853 2,67,99 Asc 4,2831 1,9468,99-9,7 Des 3,1515 2,369,99-7, 3,736 2,65,99 Asc 4,968 1,9442,99-7, Des 3,1444 2,46,99-4,8 3,621 1,962,99 Asc 4,24 1,8131,99-4,8 Des 3,1864 1,8796,99 -,5 3,259 1,657,99 Asc 3,6579 1,4983,99 -,5 Des 2,9563 1,5462,99 6 T= -19,4 o C T= -13,7 o C Figura 1 Relação entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação para suco de laranja concentrado nas temperaturas de 19,4 e 13,7 o C

5 Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto 177 T= -9,7 o C T= -7, o C Figura 2 Relação entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação para suco de laranja concentrado nas temperaturas de 9,7 e 7, o C CONCLUSÕES Pela análise qualitativa fica evidente que a temperatura exerce uma grande influência sobre a tixotropia. Ao se aumentar a temperatura ocorre redução do lóbulo de histerese. Através da curva de histerese construida entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação, verificou-se que o suco de laranja apresenta comportamento tixotrópico em todas temperaturas analisadas e que quanto menor a temperatura (maior teor de água congelada) maior é a tixotropicidade do produto. Portanto conclui-se que a temperatura e o teor de água congelada tem grande influência na tixotropia, sem no entanto ter sido possível uma correlação para esta dependência. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alvarez, A. I.; Melcón, E.; Costell, E.; Zapico, J. Evaluación de la tixotropia en leche condensado. Influencia de la temperatura en el comportamiento reológico. Revista de Agroquimica y Tecnologia de los Alimentos, v.3, n.2, p , 199. Cheng, D.C.H. ; Evans, F. Phenomenologicol characterization of the rheological behaviour of inelastic reversible tixotropic

6 178 Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto and antithixotropic fluids. Brit. J. Appl., v. 16, p , Costell, E. E.; Durán, L. Bases para la evaluación e cuantificación de la tixotropia en produtos derivados de fruta. Revista de Agroquimica y Tecnologia de los Alimentos, v.18, p , 1978a. Figoni, P.I.; Shoemaker, C.F. Characterization of structure behaviour of foods from their flow properties. Journal Texture Studies, v.12, p , Halmos, A. L.; Tiu, C. Liquid foodstuffs exhibiting yield stress and sheardegradability. Journal Texture Studies, v. 12, p.39-46, Krieger, I. M.; Elrod, H. Direct determination of the flow curves of non- Newtonian fluids. II. Shearing rate in the concentric cylinder viscometer. Journal Applied Physics, v. 24, n. 2, p , Oriol, P.J. Characterización de fenómenos tixotrópicos. Afinidad, v.31, n.1 p.19-3, Scott-Blair, G. W. Rheology: a brief historical survey. Journal Texture Studies, v.1, n.14, p.14, Sherman, P. Industrial Rheology. Academic Press. London. New York (197). Telis, J. R., Maia, C. A.; Gasparetto, C. A. Influência do conteúdo de polpa na hidrodinâmica do escoamento laminar de purê de tomate. XIX Encontro sobre escoamento em meios porosos (ENEMP). Anais, v.2, p , Telis, J. R.; Gasparetto, C. A. Parâmetros de escoamento de suco de laranja concentrado utilizando dados da força de arraste atuando sobre uma esfera. In: XXI Encontro sobre escoamento em meios porosos (ENEMP). Anais..., v.1, p.2-22, Van Wazer, J., Lyons, J., Kin, K.; Colwell, R. Viscosity and flow measurement. A laboratory handbook of rheology. 2 a ed. Intersciense publ. Nova York (1963). Vitali, A. A. Comportamento reológico do suco de laranja concentrado congelado a baixas temperaturas. São Paulo: Faculdade de Engenharia química- EDUSP, (Tese de Doutorado). Weltmann, R. N. Breakdown of thixotropic structure as function of time. Journal Applied Physics, v. 14, p , 1943.

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