EQUILÍBRIO HIGROSCÓPICO E ATIVIDADE DE ÁGUA PARA OVO INTEGRAL PROCESSADO EM SPRAY DRYER

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1 Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-, ISSN: EQUILÍBRIO HIGROSCÓPICO E ATIVIDADE DE ÁGUA PARA OVO INTEGRAL PROCESSADO EM SPRAY DRYER Paulo Cesar Corrêa 1, Paulo Cesar Afonso Júnior, Paulo César Stringheta 3, Janayna Bhering Cardoso 4 RESUMO O objetivo deste trabalho foi determinar as curvas de umidade de equilíbrio higroscópico e comparar os principais modelos clássicos para o cálculo da atividade de água dos produtos agrícolas para o ovo processado. As amostras de ovo seco em spray dryer até o teor de umidade de aproximadamente 3%, foram submetidas à adsorção, sob diversas condições de temperatura (, 3, 4 e 5 C) e umidade relativa (3, 4, 5, 6, 7 e 8 %) do ar, com quatro repetições, até atingirem a umidade de equilíbrio. A temperatura e a umidade relativa do ar foram controladas por meio de uma unidade condicionadora de ar do tipo Aminco-Aire. Os seguintes modelos matemáticos, considerados clássicos para o cálculo da atividade de água, foram ajustados aos dados experimentais: Henderson, Henderson Modificado, Chung-Pfost, Halsey, Oswin e Chen-Clayton. As constantes dessas equações foram obtidas por regressão, utilizando-se o método de Gauss Newton. De acordo com os resultados obtidos concluiu-se que todas as equações testadas se ajustaram bem aos dados experimentais, em todas as faixas estudadas de temperatura e umidade relativa do ar, podendo ser utilizadas para se calcular a umidade de equilíbrio ou a atividade de água do ovo integral seco. Entretanto, as equações de Henderson Modificada e Oswin foram as que melhor representaram o fenômeno estudado. Palavras-chave: ovo, equilíbrio higroscópico, atividade de água. HYGROSCOPIC EQUILIBRIUM AND WATER ACTIVITY FOR INTEGRAL EGG THAT S PROCESSED IN "SPRAY DRYER" ABSTRACT The objective of this work was to determine the hygroscopic equilibrium moisture curves and compare the main classics models to the caculation of the agricultural products water activity to the processed egg. The material, which had moisture content level of 3% (wet basis) approximately was submitted to adsorption. An air conditioning unit (Aminco-Aire) was used in the tests to control the temperatures and the relative humidity ( o C, 3 o C, 4 o C, 5 o C and 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, respectively). The samples remained in the chamber until its moisture reached hygroscopic equilibrium. Henderson, Henderson Modified, Chung-Pfost, Halsey, Oswin, and Chen-Clayton s Equations for water activity were fitted to the moisture data. According to the obtained results, it was concluded that the equations describes the variation in the equilibrium moisture content or the water activity of the dry integral egg, according to the air temperature. However, Henderson Modified and Oswin s equations were the best ones to represent studied phenomenon. Keywords: egg, hygroscopic equilibrium, water activity Protocolo de 1//1 1 Eng. Agrônomo, D.S., Prof. Adjunto, Depto. de Engenharia Agrícola, UFV, Viçosa, MG, CEP , copace@mail.ufv.br Eng. Agrícola, M.S., Doutorando em Engenharia Agrícola no DEA-UFV, Viçosa, MG, pjunior@alunos.ufv.br 3 Eng. Alimentos, D.S., Prof. Titular, Depto. Engenharia de Alimentos, UFV, Viçosa, MG, stringhap@funarbe.org 4 Estudante de graduação no Depto. de Engenharia de Alimentos, UFV, Viçosa, MG - copace@mail.ufv.br

2 16 INTRODUÇÃO O processo de secagem de ovos por muito tempo foi realizado sem os conhecimentos dos conceitos teóricos básicos desta operação unitária. Nos Estados Unidos da América, a idéia de secagem de ovos surgiu por volta de 18. No entanto, o sucesso comercial da operação de secagem desse produto só foi constatado na China, em 19, quando alguns engenheiros alemães introduziram este processo naquele país. Vários problemas, envolvendo estabilidade, propriedades físico-químicas, microbiologia e aspectos de qualidade em geral, confrontaram a indústria da secagem de ovos, durante todo o período de seu desenvolvimento. Hoje, graças à intensa pesquisa desenvolvida no sentido de solucionar estes problemas, os produtos de ovo seco são comumente aceitos pelas populações em todo o mundo. Estes produtos são, em geral, consumidos sem o cozimento e, normalmente, são utilizados para enriquecimento protéico de misturas. O Processo de secagem em spray dryer é, atualmente, o mais utilizado para a produção do ovo seco integral. O Brasil é um dos grandes produtores mundiais de ovos, embora a industrialização deste produto ainda se encontre aquém de outros países mais industrializados. Além disso, de forma semelhante a outros países produtores com pouca tradição tecnológica, na área de processamento, tem enfrentado problemas de caracter técnico no desenvolvimento e aplicação de tecnologias adequadas para os processos de secagem e conservação de ovos processados. Novas indústrias equipadas com alta tecnologia e o aumento do consumo de ovos processados são um indício de que este mercado tende para uma modernização rápida, com possibilidades de ganho expressivo para os avicultores e industriais que forem capazes de aliar o conhecimento do mercado e as melhorias no sistema de produção e industrialização. Conseqüentemente, torna-se importante o conhecimento de suas propriedades físicas, com as quais se podem realizar projetos de engenharia como o dimensionamento de máquinas e equipamentos para a secagem, embalagens, além de auxiliar na correta operação de armazenamento. O conhecimento destas propriedades é útil também em problemas relacionados com fenômenos de transferência de calor e de massa durante a secagem e a conservação do produto, em que uma delas é a higroscopia, envolvendo os conceitos de atividade de água e de umidade de equilíbrio, que é o teor de umidade de um material higroscópico depois de exposto a um ambiente em condições de temperatura e umidade relativa controlada, por um período de tempo prolongado. A fração de água é um dos importantes componentes dos alimentos, afetando todas as suas propriedades físicas; entretanto, a forma como este composto altera a natureza física e interage com os demais componentes dos alimentos depende das relações existentes entre o produto e o meio. Quando um material biológico é exposto a uma certa condição de umidade relativa, ele cede ou ganha água para equilibrar sua própria umidade. Isso ocorre quando a pressão de vapor d água na superfície do material se iguala à pressão de vapor d água do ar que o envolve (Carvalho, 1994). A determinação da atividade de água é uma das medidas mais importantes no processamento e análise dos produtos agropecuários in natura ou processados, devido à sua influência no que diz respeito à qualidade e à estabilidade do produto (Park at al., 1). Haja vista a importância desse conceito, nas inúmeras aplicações no campo do processamento, na secagem e na armazenagem de alimentos, têm-se empregado esforços para a obtenção de equações que expressem o teor de umidade de equilíbrio ou a atividade de água para cada produto, como função das condições ambientais. Os valores de teor de umidade de equilíbrio dos produtos biológicos dependem, principalmente, da temperatura, da umidade relativa de equilíbrio (ou atividade de água) e da espécie de produto. O histórico do produto e a maneira pela qual o equilíbrio foi obtido, também, influenciam na umidade de equilíbrio (Sokhansaj et al., 1986; Pereira & Queiroz, 1987; Chen & Morey, 1989; Mazza & Jayas, 1991; Brooker et al., 199; Morey et al., 1995). Comumente, dois métodos são usados para se determinar as curvas de umidade de equilíbrio (Hall, 198; Brooker et al., 199): o método estático e o método dinâmico. No estático, a umidade de equilíbrio entre o produto e a atmosfera circundante é atingida sem movimentação do ar ou do material analisado. No método dinâmico, o ar ou o material é movimentado até que o equilíbrio seja atingido. Diversos autores têm determinado essas curvas para vários produtos, utilizando um método ou outro para a obtenção dos dados experimentais. Para o estabelecimento das Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,

3 curvas teóricas, têm sido utilizadas relações matemáticas empíricas, uma vez que nenhum modelo teórico desenvolvido tem sido capaz de predizer com precisão o teor de umidade de equilíbrio em todas as faixas de temperatura e umidade relativa do ar (Brooker et al., 199). Dentre as diversas equações utilizadas para expressar a atividade de água de produtos agrícolas e alimentícios, em função da temperatura e teor de umidade de equilíbrio, na Tabela 1, são apresen-tados alguns modelos empíricos de ampla aplicação na predição do comportamento higroscópico desses materiais (Pfost et al.,1976; Mazza et al., 199; Brooker 17 et al., 199; Morey et al.,1995; Corrêa et al.,1995; Sokhansanj & Yang, 1996). Ante o exposto e em virtude da escassez de informações na literatura especializada consultada a respeito das curvas de umidade de equilíbrio higroscópico e da atividade de água para ovos integrais processados, desenvolveu-se o presente trabalho com o objetivo de determinar experimentalmente as curvas de adsorção e ajustar diferentes modelos matemáticos para atividade de água aos dados experimentais. Tabela 1. Modelos matemáticos empregados na predição da atividade de água de ovo integral processado Denominação do Modelo Modelo Matemático* Henderson c Aw = 1- exp(-a (T 73,15) Ue ) (1) Henderson Modificada c Aw = 1- exp(-a (T b) Ue ) () Chung-Pfost A w exp(-a / (T b) exp(-c Ue )) (3) Halsey c A w exp(-(exp(a b T) / U e )) (4) Oswin c A w 1/ ((((a b T) / U e ) ) 1) (5) Chen-Clayton b d A w exp( a T exp( c T U e )) (6) * Aw representa a atividade de água (decimal), T a temperatura ambiente ( C), Ue o teor de umidade de equilíbrio (% base seca), a, b, c, d constantes que dependem da natureza do produto. MATERIAIS E MÉTODOS Este trabalho foi desenvolvido nos Laboratórios de Armazenamento e Processamento de Produtos Vegetais do Departamento de Engenharia Agrícola e de Processamento de Produtos Animais do Departamento de Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG. Foi utilizado ovo integral seco em spray dryer com teor de umidade aproximado de 3%. Após o processamento, o produto foi separado em amostras de aproximadamente 5 g, acondicionadas em embalagens laminadas e armazenadas em uma câmara fria à temperatura aproximada de 4 C, sendo retiradas 1 horas antes do início da operação, permitindo, assim, o seu equilíbrio térmico com o ambiente. O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, sendo quatro níveis de temperatura (, 3, 4 e 5 C) e seis níveis de umidade relativa do ar (3, 4, 5, 6, 7 e 8 %), com quatro repetições. As condições ambientais para realização dos testes foram obtidas utilizando-se uma unidade condicionadora de atmosfera de fabricação da empresa Aminco, modelo Aminco-Aire 15/3 CFM, dotada de dispositivos para o controle da temperatura e umidade relativa do ar fornecido. O equipamento era composto por bandejas removíveis com fundo telado, para permitir a passagem do ar por entre a massa de produto. O fluxo de ar foi monitorado com o auxílio de um anemômetro de hélice e mantido constante em torno de 1 m 3.min. -1.m -. A temperatura e a umidade relativa do ar foram determinadas por meio de psicrômetro instalado próximo as bandejas que contêm as amostras (Figura 1). Foram utilizados cerca de g de ovo seco para cada repetição de cada tratamento, expostos às condições ambientais em recipientes de alumínio e em camadas finas, com espessura de aproximadamente cm. Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,

4 18 Duto de Recirculação de Ar Bandejas Chapa Perfurada Sistema de Aquecimento de Água Sistema de Resfriamento de Água Pulverizador de água Ventilador Termômetros de Bulbo Seco e Molhado AMINCO-AIRE Sistema de Aquecimento de Ar Figura 1. Desenho esquemático do equipamento experimental. Durante o processo de adsorção, as amostras foram pesadas, periodicamente, visando acompanhar a perda de peso. Considerou-se que o equilíbrio higroscópico havia sido alcançado quando a variação da massa dos recipientes entre três pesagens sucessivas fosse igual ou inferior a,1g. Os seguintes modelos matemáticos foram ajustados aos dados experimentais por análise de regressão: Henderson, Henderson Modificado, Chung-Pfost, Halsey, Oswin e Chen-Clayton. Os dados experimentais foram comparados com os valores calculados pelos modelos, analisando-se o erro médio relativo (P) e o erro médio estimado (SE), para cada modelo, conforme descrito a seguir (Chen & Morey, 1989; Mazza & Jayas, 1991): em que 1 Y Ŷ P (7) n Y (Y Ŷ) SE (8) GLR n = número de observações Y = valor experimental Ŷ = valor calculado pelo modelo GLR = graus de liberdade do modelo. O grau de ajuste dos modelos matemáticos aos dados experimentais de equilíbrio higroscópico baseou-se na magnitude do coeficiente de determinação ajustado, na magnitude do erro médio relativo e do erro médio estimado e na verificação do comportamento da distribuição dos resíduos do modelo. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os modelos foram ajustados aos dados experimentais, por meio de regressão utilizandose o método de Gauss-Newton. Os valores para as constantes das diversas equações encontramse na Tabela, com os respectivos coeficientes de determinação ajustados (R ), erros médios relativos (P) e erros médios estimados (SE). Tabela. Constantes das equações ajustadas para o cálculo da atividade de água para o ovo integral processado, com os correspondentes coeficiente de determinação ajustado (R ), erro médio relativo (P) e erro médio estimado (SE) Modelo Constantes R P SE Matemático a b c D Henderson -,918x1-4 1, ,9461,737,1373 Henderson Modificada -7,514x1-4 4,7589 1,6 -,9933,6,483 Chung-Pfost 9, ,955,17 -,9797,396,84 Halsey,6741 -,14 1,3564 -,9878,91,653 Oswin 9,3316 -,654 1,8553 -,9941,7,454 Chen-Clayton 1,683,1181,431,3988,9897,96,61 Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,

5 A análise dos dados da Tabela, indica que todos os modelos estudados apresentam altos coeficientes de determinação ajustados (R ) e, também, baixos valores de erros médios relativo (P) e estimado (SE) entre os dados obtidos e os calculados, podendo cada um deles ser utilizado na estimativa da atividade de água ou do teor de umidade de equilíbrio para o produto estudado. Entretanto, a escolha dos modelos mais adequados para o cálculo dessas variáveis levou em consideração, também, a 19 análise dos resíduos de cada equação testada (Figura ). Segundo esta análise, verifica-se, pelo comportamento dos resíduos, que as equações de Henderson, Henderson Modificada, Chung-Pfost e Oswin apresentaram distribuição aleatória de seus resíduos, ao contrário do observado para as equações com base nos modelos de Halsey e Chen-Clayton, que apresentaram uma distribuição tendenciosa dos resíduos.,9,6,3 Henderson Henderson,4, Halsey -,3 -, -,6 -,9 -,4,4 Henderson Modificada,4 Oswin,, -, -, -,4 -,4,6 Chung-Pfost,4 Chen-Clayton,4,, -, -, -,4 -,6 -,4 Figura. Distribuição dos resíduos para os modelos matemáticos analisados, em função dos valores estimados. Observa-se, ainda na Figura, para as equações de Henderson Modificada e Oswin, pela magnitude dos valores residuais, menor dispersão entre os valores calculados e os dados experimentais, quando comparadas com as demais equações que, também, apresentaram tendência aleatória de distribuição de seus resíduos. Portanto, a avaliação do melhor ajuste, levando em consideração os menores valores dos erros médios relativos e estimados, indicou que, entre os modelos analisados, as equações de Henderson Modificada e Oswin foram as que melhor representaram o fenômeno analisado, apresentando, ainda, um elevado coeficiente de determinação ajustado e distribuição aleatória dos resíduos. Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,

6 Teor de Umidade de Equilíbrio (% b.s.) Teor de Umidade de Equilíbrio (% b.s.) Os valores experimentais de equilíbrio higroscópico das amostras de ovo integral seco (média de quatro repetições), para diferentes níveis de temperatura do ar ambiente, e os valores estimados pelas equações de Henderson Modificada e Oswin, em função da atividade de água do produto, estão descritos nas Figuras 3 a Valores Experimentais (Oswin) (Henderson Modificada) ,1,,3,4,5,6,7,8,9 Atividade de Água (decimal) Figura 3. Teores de umidade de equilíbrio experimentais e calculados pelas equações de Henderson Modificada e Oswin, em função da atividade de água para ovo integral processado e para temperatura de C Valores Experimentais (Oswin) (Henderson Modificada) ,1,,3,4,5,6,7,8,9 Atividade de Água (decimal) Figura 4. Teores de umidade de equilíbrio experimentais e calculados pelas equações de Henderson Modificada e Oswin, em função da atividade de água para ovo integral processado e para temperatura de 3 C. Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,

7 Teor de Umidade de Equilíbrio (% b.s.) Teor de Umidade de Equilíbrio (% b.s.) Valores Experimentais (Oswin) (Henderson Modificada) ,1,,3,4,5,6,7,8,9 Atividade de Água (decimal) Figura 5- Teores de umidade de equilíbrio experimentais e calculados pelas equações de Henderson Modificada e Oswin, em função da atividade de água para ovo integral processado e para temperatura de 4 C Valores Experimentais (Oswin) (Henderson Modificada) ,1,,3,4,5,6,7,8,9 Atividade de Água (decimal) Figura 6. Teores de umidade de equilíbrio experimentais e calculados pelas equações de Henderson Modificada e Oswin, em função da atividade de água para ovo integral processado e para temperatura de 5 C. Observa-se pelas Figuras 3 a 6, que para este produto, como para a maioria dos produtos agrícolas e alimentícios, existe uma relação direta entre a atividade de água e os parâmetros: teor de umidade de equilíbrio e temperatura ambiente; ou seja, os valores de atividade de água são sempre maiores para umidades de equilíbrio e temperaturas mais elevadas. CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho permitiram concluir que: as equações de atividade de água testadas com as constantes determinadas para o ovo integral seco em spray dryer, se ajustaram bem aos dados experimentais; a avaliação do melhor ajuste feita pelos menores valores dos erros médios relativos e estimados entre os dados experimentais e Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,

8 os valores calculados, indicou que entre os modelos analisados as equação de Henderson Modificada e Oswin foram as que melhor representaram o fenômeno estudado, apresentando elevados coeficientes de determinação ajustados e distribuições aleatórias dos resíduos; tanto o teor de umidade de equilíbrio, quanto à atividade de água, para o produto testado, apresentam a mesma tendência de variação da maioria dos produtos alimentícios processados ou não. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Brooker, D.B.; Bakker-Arkema, F.W.; Hall, C.W.; Drying and storage of grains and oilseeds. New York: The AVI Publishing Company, p. Carvalho, N.M. A secagem de sementes. Jaboticabal: FUNEP-UNESP, p. Chen, C.C.; Morey, V. Comparison of four EMC/ERH equations. Transactions of ASAE, St. Joseph, v.3, n.3, p , Corrêa, P.C.; Martins, D.S.R.; Melo, E.C. Umigrãos: Programa para o cálculo do teor de umidade de equilíbrio para os principais produtos agrícolas. Viçosa: Centreinar-UFV, p. Hall, C.W. Theory and principles of drying. In: Drying and storage of agricultural crops. New York: The AVI Publishing Company, 198. p1-15. Mazza, G.; Jayas, D.S. Equilibrium moisture characteristics of sunflower seeds, hulls, and kernels. Transactions of ASAE, St. Joseph, v.34, n., p , Mazza, G.; Jayas, D.S.; White, N.D.G. Moisture sortion isotherms of flax seed.. Transactions of ASAE, St. Joseph, v.33, n.4, p , 199. Morey, V.; Wilcke, W.F.; Meronuck, R.A.; LANG, J.P. Relationship between equilibrium relative humidity and deterioration of shelled corn. Transactions of ASAE, St. Joseph, v.38, n.4, p ,1995. Park, K.J.; Bin, A.; Brod, F.P.R. Obtenção das isotermas de sorção e modelagem matemática para a pêra bartlett (Pyrus sp.) com e sem desidratação osmótica. Ciência e Tecnologia de Alimentos, Campinas, v.1, n.1, p.73-77, 1. Pereira, J.A.M.; Queiroz, D.M.de. Higroscopia. Viçosa: Centreinar-UFV, p. Pfost, H.B.; Maurer, S.G.; Chung, D.S.; Milliken, G. Sumarizing and reporting equilibrium moisture data for grains. ASAE, Paper No , St. Joseph, MI, Sokhansanj, S.; Zhijie, W.; Jayas, D.S.; Kameoka, T. Equilibrium relative humidity- moisture content od rapessed (canola) from 5 ºC to 5 ºC. Transactions of ASAE, St. Joseph, v.9, n.3, p , Sokhansanj, S.; Yang, W. Revision of the ASAE standard D45.4: moisture relationships of grains. Transactions of ASAE, St. Joseph, v.39, n., p , Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.4, n.1, p.15-,