Pulsos Eléctricos. Trabalho elaborado por:

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1 Pulsos Eléctricos Trabalho elaborado por: - Ana Cravo nº ; - João Ribeiro nº ; - Liliana Ribeiro nº ; - Cristina Rodrigues nº José Sousa nº

2 Índice: Introdução:...3 Pulsos eléctricos...5 Câmaras de tratamento:...5 Parâmetros do processo:...7 -Intensidade do pulso eléctrico:...7 -Tempo de tratamento:...7 -Temperatura de tratamento:...8 Vantagens:...8 Desvantagens:...8 Efeitos dos CEP nos microorganismos:...9 Efeitos dos CEP nos esporos:...9 Efeitos dos CEP sobre as enzimas:...10 Efeitos nas características sensoriais...11 Princípios do HACCP e Tecnologia de PE: Avaliação dos perigos: Pontos Críticos de Controlo: Determinação, limites, processos e Acções Correctivas Manutenção de registos: Estudo de Perigos e Operacionalidade (HAZOP) Princípios e PEF Tecnologia...14 Conclusão:...16 Bibliografia:

3 Introdução: Nas últimas décadas, os tratamentos não térmicos dos alimentos têm ganho grande destaque devido ao facto de conseguir estabilizar os produtos processados por estes métodos, sem o emprego de calor e ainda preservar suas características sensoriais e nutritivas. A aplicação de campos eléctricos pulsados (CEP) destaca-se como uma promissora tecnologia para substituir o tratamento térmico convencional. O desenvolvimento de métodos de conservação dos alimentos foi fundamental para garantir o desenvolvimento da sociedade moderna. Desde os tempos primórdios que o homem vem a desenvolver e aperfeiçoar novos métodos de conservação dos alimentos. Inicialmente o fogo revolucionou a forma como o homem prepara o seu alimento e mais tarde o emprego de calor permitiu desenvolver vários processos de conservação. Hoje, o domínio de técnicas não térmicas empregadas com o intuito de conservar os alimentos representa um novo salto qualitativo na relação do homem com o alimento. Entre estes métodos, o emprego de campos eléctricos pulsados (CEP) mostrase como uma das alternativas mais promissoras para substituir o tratamento térmico convencional tais como a pasteurização e a esterilização comercial. Este processo consiste em submeter o produto a campos eléctricos de alta intensidade (5-55 kv/cm), repetido muitas vezes durante intervalos de tempo muito pequenos (micro-segundos), com a finalidade de inactivar enzimas e destruir microrganismos. A eliminação de bactérias e leveduras com aplicação de CEP depende da intensidade do campo eléctrico e do tempo de tratamento (aplicação). O desenvolvimento de pulsos eléctricos de pequena duração tem como objectivo minimizar o efeito Joule (calor) e portanto diminuir os efeitos indesejáveis do calor nos alimentos. Quanto aos atributos de qualidade, a tecnologia por pulso eléctrico é considerada superior ao tratamento térmico convencional porque evita ou reduz as 3

4 mudanças nas propriedades sensoriais e físicas dos alimentos. Embora isso já esteja comprovado, os efeitos químicos e nutricionais do pulso eléctrico devem sempre ser levados em conta antes do seu uso em alimentos. Alguns aspectos importantes na tecnologia por pulso eléctrico são: a geração de altas intensidades eléctricas, o desenho da câmara que deve conceder tratamento uniforme aos alimentos com aumento mínimo na temperatura, e a disposição dos eléctrodos que minimizam o efeito da electrólise. Campo Elétrico Pulsante de Alta Intensidade provoca: Eletroporação; Eletrofusão; Ruptura dielétrica. 4

5 Pulsos eléctricos O conceito de pulsos eléctricos é simples: a energia eléctrica em níveis de baixa potência é arrecadada durante um período prolongado e armazenada num condensador. Essa mesma energia pode então ser descarregada quase instantaneamente em elevados níveis de poder. A geração de CEPs requer dois dispositivos principais: uma fonte de energia pulsante e uma câmara de tratamento, que converte a tensão em CEPs. Figura 1- circuito geral de tratamento por CEPs Câmaras de tratamento: A câmara de tratamento estático de CEP consiste em dois eléctrodos mantido em posição por materiais isolantes, que também formam um invólucro contendo alimentos. Um fluxo contínuo através da câmara de tratamento foi desenvolvido na Washington State University (WSU). A câmara consiste em dois eléctrodos, um espaçador, e duas tampas. Deve também salientar-se que uma câmara de tratamento completamente selada é perigosa. Quando o fluido de teste entra em contacto com uma faísca, a pressão aumenta rapidamente e pode explodir. 5

6 Figura 2- Esquema de uma câmara de tratamento de estático. Um dispositivo de libertação de pressão deve ser incluído no projecto de câmara de tratamento para garantir a segurança da operação. A câmara de tratamento coaxial, com uma distribuição uniforme de campo ao longo do trajecto do fluido foi concebida na WSU. O líquido é alimentado na câmara pela região inferior e o produto tratado sai no topo da câmara. A superfície projectada, localizado no exterior, aumenta e faz o campo eléctrico uniforme na região de tratamento, ao mesmo tempo que reduz a intensidade de campo noutras regiões do trajecto do fluido. O fluido de refrigeração é circulado para controlar a temperatura entre o eléctrodo de alta tensão interior e o exterior. Figura 3-Esquema de uma câmara de tratamento de coaxial 6

7 Parâmetros do processo: -Intensidade do pulso eléctrico: A intensidade do pulso eléctrico é directamente proporcional à inactivação microbiana, ou seja, quanto maior for a intensidade do pulso maior será o grau de inactivação. O potencial transmembranar natural da célula é de aproximadamente 1 V. Se a intensidade do pulso for superior a esse limite ocorrerá, provavelmente, aumento da permeabilidade da membrana com formação de poros e eventual ruptura celular. Portanto, o Pulso Eléctrico Crítico Ec. (intensidade de pulso eléctrico abaixo da qual a inactivação não ocorre) aumenta com o potencial transmembranar da célula. -Tempo de tratamento: Define-se o tempo de tratamento como o produto entre o número e a duração dos pulsos. O aumento em qualquer dessas variáveis eleva a inactivação microbiana. Maiores amplitudes requerem menores intensidades do pulso, que por sua vez resultam em maior inactivação microbiana. Contudo, maior duração do pulso pode também resultar em aumento de temperatura indesejável no produto. As condições óptimas de processamento devem ser estabelecidas para se obter o mais alto nível de inactivação microbiana com o mais baixo efeito do aquecimento. 7

8 -Temperatura de tratamento: Resultados experimentais têm demonstrado que tanto a temperatura do tratamento quanto a temperatura do processo interfere na sobrevivência de microrganismos. Usando-se pulso eléctrico constante, a inactivação aumenta com a elevação da temperatura. Como a intensidade do pulso aumenta a temperatura dos alimentos é necessário resfriamento para manter a temperatura bem abaixo das geradas pelo processo de pasteurização. Efeitos adicionais de altas temperaturas de tratamento incluem mudanças na fluidez e permeabilidade da membrana, que aumentam a susceptibilidade da célula à ruptura mecânica. Vantagens: Pasteurização a baixa temperatura; Método rápido; Eficiente para produtos líquidos; Mantém as características nutritivas e sensoriais do alimento tratado. Desvantagens: Não indicado para alimentos sólidos ou líquidos que contenham bolhas de ar; Baixa eficiência sobre esporos. 8

9 Efeitos dos CEP nos microorganismos: A exposição de uma célula biológica a um campo eléctrico pulsado de alta intensidade conduz a um fenómeno de permeabilização da membrana. Isto leva a formação de poros que é reversível se o campo eléctrico for abaixo de certo valor crítico e por um período de tempo curto. Foram realizadas experiências com alguns microorganismos com factores do processo diferentes (campo, numero de pulsos, duração e temperatura) e concluiu-se que em diferentes condições apresentam diferentes reduções decimais. Microorganismos Meio E.coli Leite desnatado Ovo líquido Campo (kv/cm) Tempo (n de pulsos* duração) Temperatura Reduções décimais E.coli L. subtilis Sopa de ervilha < < Efeitos dos CEP nos esporos: Os pulsos eléctricos não induzem a germinação, sendo, por isso ineficazes na inactivação de esporos. No entanto, a germinação pode ser induzida por outros meios, para que os pulsos eléctricos possam ser usados em seguida para inactivar as células recém -germinadas. Estudos feitos nesta área obtiveram uma redução de cerca de cinco ciclos logaritmos de esporos de Bacillus subtillis utilizando uma combinação de lisozima e CEP. Pensa-se que a lisozima dissolve o revestimento dos esporos, tornando a célula passível de tratamento por CEP, ou seja, mesmo não sendo possível inactivar esporos com a acção isolada de CEP, é possível usar esta tecnologia em combinação com outras para a inactivação de esporos. 9

10 Efeitos dos CEP sobre as enzimas: Para se obter sucesso na inactivação de enzimas por CEP é necessário que sejam utilizados tratamentos mais severos que aqueles utilizados para inactivação microbiana. A inactivação enzimática ocorre devido a mudanças na estrutura terciária e/ou secundária da proteína. Quando uma enzima está submetida a um campo eléctrico, é submetida a uma força eléctrica devido a grupos carregados que possui em posições diferentes, por causa destes grupos, surgem forças eléctricas perturbadoras que podem levar a mudança na sua conformação estrutural provocando a sua desnaturação. A maior ou menor resistência da enzima aos CEP dependerá do número de pontes de hidrogénio que ela possuir, da sua composição em aminoácidos (que lhe conferirá maior ou menor hidrofobia), da presença de metais na estrutura e no volume. Também para as enzimas foram realizadas experiências Factores do processo Diferentes (campo, numero de pulsos, duração e temperatura) e concluiu-se que em diferentes condições apresentam diferentes reduções decimais. enzima Meio Campo (kv/cm) Tempo (n de pulsos* duração) Reduções ALP Leite 2% 14,8-18,8 70 * % - 59 % SMUF * % 10

11 Efeitos nas características sensoriais A maioria dos trabalhos realizados sobre o emprego de CEP refere-se à sua capacidade de inactivar microorganismos e de preservar os nutrientes dos alimentos, havendo poucos trabalhos referentes aos seus efeitos nas características sensoriais dos produtos assim processados. Foi realizada uma experiência que pretendeu comparar as características Organolépticas de sumo de tomate processado via tratamento térmico (TT) e via CEP. Nesta experiencia os provadores atribuíram melhores notas ao sumo processado pelo sistema de CEP no que dizia respeito a sabor e a sensação global. Ainda segundo os mesmos autores, vários outros indicadores sensoriais (aparência, cor e textura) que mostravam uma melhor aceitação do sumo processado via CEP. Sumos cítricos tratados com CEP a temperatura inferior a 34 C, não apresentaram mudanças significativas na acidez, sabor e cor após o tratamento, o que comprova a informação de que este método é mais eficiente para se preservar as características sensoriais dos alimentos do que aqueles estabilizados com a utilização de calor, utilizando este processo também se consegue aumentar a vida útil dos produtos. Princípios do HACCP e Tecnologia de PE: As operações fundamentais do processo são a entrada de matérias-primas, tratamento com PE, embalagem asséptica e termina na armazenagem e distribuição do produto. A seguir verificamos os perigos e analisamos os pontos críticos de controlo (HACCP- Haazard Analysis Critical Control Point). 11

12 -Avaliação dos perigos: Os riscos microbianos são a principal preocupação durante toda a operação dos PE. As matérias-primas contêm micróbios e estes podem ser patogénicos o que pode estragar o ingrediente ou matéria-prima e pode ser prejudicial para o consumidor. A limpeza do equipamento desempenha um papel fundamental na prevenção da contaminação microbiana assim, as peças de montagem devem sempre ser devidamente higienizadas. Se as condições de embalagem asséptica e de armazenamento forem inapropriadas pode resultar na deterioração do produto. Os perigos químicos a serem considerados são a presença de antibióticos, resíduos de pesticidas em matérias-primas e resíduos de detergente/desinfectante no equipamento de processamento e embalagem. Perigos físicos incluem substâncias estranhas nas matérias-primas (por exemplo, pedras, borracha, plástico, metal e cascas de ovos), partículas de metal e de plástico da câmara de tratamento após uma faísca e pedaços de borracha. A classificação final dos riscos pode ser definida em termos do produto (leite, sumo de maçã, ovos, sopas, etc.). Características de perigo microbiológico bem como características químicas e físicas são definidas pelo Comité Consultivo Nacional sobre Critérios Microbiológicos para Alimentos (NACMCF) e serão utilizadas para classificar os produtos tratados com PE. Em geral, a classificação de risco final deverá ocorrer entre as categorias IV e VI, como definido pelo NACMCF. - Pontos Críticos de Controlo: Determinação, limites, processos e Acções Correctivas Os seguintes pontos críticos de controlo (PCC) devem ser seleccionados para garantir a segurança dos produtos tratados com PE: recepção e zona de armazenagem, zona de tratamento com PE e zona de embalagem asséptica. Os principais factores considerados e monitorizados para cada PCC são a manipulação, o tempo de processamento, a temperatura do material e a limpeza dos equipamentos e utensílios. As condições de tratamento (intensidade de campo eléctrico, taxa dos pulsos eléctricos, tensão de entrada, corrente de entrada e temperatura da câmara) deverão ser monitorizadas e registadas numa base contínua. O tratamento uniforme com PE 12

13 prevê a concepção e construção de um gerador de pulsos eléctricos que faz variar a taxa de pulsos, as configurações de tensão, as larguras de pulso e formas de pulso. Os componentes do gerador e a câmara de tratamento devem cumprir com as especificações definidas e características como temperatura máxima, tensão máxima, saídas de corrente e fiabilidade (média de tempo entre falhas, rendimentos, etc.). A fiabilidade do gerador de pulsos eléctricos pode ser medida em termos de número de pulsos com nível apropriado de energia por unidade de tempo, bem como pulsos totais por unidade de tempo. Dispositivos monitorizados podem incluir osciloscópios para medidas de tensão, corrente e contadores de pulso. Procedimentos operacionais padrão (POPs) devem estar no local para descrever aspectos como a recepção, armazenamento e preparação das matériasprimas, para garantir um tratamento adequado e reduzir o risco de contaminação. A pulsação e as unidades de embalagem devem ter procedimentos para especificar a montagem e desmontagem das máquinas. A limpeza específica com frequência, tipo de detergentes e desinfectantes a serem utilizados devem ser estabelecidos para evitar a contaminação entre os produtos. Os parâmetros operacionais para tratamentos com PE devem ser específicos para cada produto alimentar com base no seu risco microbiano, contagem microbiana inicial, características físicas e químicas (por exemplo, ph, força iónica e composição) e o tempo máximo para completar o processamento de cada alimento (ou seja, tempo desde a descarga inicial de matériasprimas até ao fim da embalagem). Procedimentos alternativos devem definir as acções correctivas para os desvios de processos específicos ou os limites do PCC. Procedimentos de garantia da qualidade devem ser desenvolvidos para a aprovação ou rejeição do tratamento de alimentos por PE com base nos limites do PCC e acções correctivas. - Manutenção de registos: Manutenção de registos é um aspecto fundamental, não só numa operação de PE, mas também em todo o fabrico de sucesso. O estatuto das matérias-primas, processo e sequência de embalagens, bem como o armazenamento e transporte deve ser organizado em vários documentos. Uma concepção correcta dos documentos é 13

14 muito importante e é uma difícil tarefa, porque os documentos devem proporcionar espaço suficiente para medições críticas sem confundir o operador. - Estudo de Perigos e Operacionalidade (HAZOP) Princípios e PEF Tecnologia A principal preocupação das pessoas que trabalham numa instalação de PE é a intensidade de tensão que chega aos quilovolts. A fonte de alimentação de alta tensão é seleccionada para carregar o condensador (eventualmente mais do que um) e um interruptor de descarga liberta energia eléctrica a partir do condensador através do produto na forma de um campo eléctrico. A fonte de alimentação, condensador, e câmara de tratamento devem ser confinados em uma área de acesso restrito com portões trancados. Os portões irão desligar o gerador de pulsos eléctricos se estes estiverem abertos enquanto a alimentação está ligada. Interruptores de emergência devem ser acessíveis em caso de falha no processo. Para evitar a fuga de alta tensão através de qualquer alimento (líquido ou refrigerante) em contacto com a câmara de tratamento, todas as ligações para a câmara são isoladas e os tubos que transportam materiais estão ligados à terra. Dispositivos eléctricos e mecânicos, tais como bombas, computadores e máquinas de embalagem devem ser protegidos com garantias. Sinais de alerta apropriados devem estar no local e informar sobre os riscos de segurança (alta tensão e campo de alta intensidade eléctrica) na área de processamento. As informações relativas à operação e procedimentos de manutenção devem estar contidos nos procedimentos operacionais padronizados (POPs). O pessoal envolvido na operação de PE devem ser treinados e instruídos nestes POPs. A selecção adequada dos detergentes e desinfectantes devem cumprir com os regulamentos da FDA e USDA / FSIS ou os de organizações equivalentes em outros países. Dispositivos de protecção tais como máscaras ou óculos, avental, botas e luvas devem ser utilizados pelos trabalhadores durante a aplicação e remoção de soluções de limpeza. Um procedimento completo deve estar no local para definir que tipo, quando, onde e como usar na limpeza e desinfecção de soluções. A correcta 14

15 manutenção é necessária para evitar contaminação dos produtos com detergente ou solução desinfectante. Um esquema completo da instalação, incluindo detalhes sobre a localização dos serviços, localização de equipamentos e saídas de emergência, deve estar disponível. 15

16 Conclusão: A aplicação de campos eléctricos pulsados é um método promissor para substituir o tratamento térmico, com as vantagens de garantir melhor preservação da cor, da textura, do sabor, da aparência e do aroma dos alimentos. As suas principais limitações devem-se à restrição da sua aplicação em produtos líquidos homogéneos e pelo facto de ser pouco efectivo na inactivação de enzimas e esporos. Contudo, o emprego de CEP combinado com outros métodos tais como emprego de temperatura moderada, alta pressão hidrostática, utilização de agentes antimicrobianos, redução do valor do ph do meio, entre outros, pode produzir excelentes resultados na conservação de alimentos. Constata-se também que há necessidade de novos estudos no desenvolvimento e aperfeiçoamento dos equipamentos; na elucidação precisa da cinética e mecanismos de inactivação de microorganismos, enzimas e esporos; na definição dos parâmetros de tratamento adequado para cada tipo de produto; estudos toxicológicos para garantir a inocuidade do processo; elaboração de legislação específica para processamento via CEP. 16

17 Bibliografia: ico%20pulsante/pulso%20el%c3%a9trico%20em%20suco.pdf Dezembro de Dezembro de Pulsante/Pulso%20el%C3%A9trico%20em%20suco.pdf Dezembro de 2009 Material cedido pelo docente - Dezembro de Processamento-de-Alimentos - Janeiro de Janeiro de