ULTRA-SOM NA PRESERVAÇÃO E PROCESSAMENTO DOS ALIMENTOS

Transcrição

1 Escola Superior Agrária de Coimbra Licenciatura em Engenharia Alimentar Processamento Geral dos Alimentos ULTRA-SOM NA PRESERVAÇÃO E PROCESSAMENTO DOS ALIMENTOS Ricardo Aranha Ana Ferreira Ana Sofia Gomes Telma Cantante Helena Suazo NOS ÚLTIMOS ANOS Ultra-som produz uma variedade de efeitos, dependendo da combinação de características de ondas de ultra-som e as características do produto; Ultra-som é importante: Ecolocalização por morcegos e golfinhos; Detecção de sinais de ultra-som por peixes e mariposas para evitar predadores ; Aumentar a eficiência dos processos industriais; Detecção de submarinos e navios de oceanografia; Cirurgia; Fiseoterapia; Ultra-som em paralelo com algumas técnicas pode ser usado para: Monitorar os processos; Minimizar os efeitos sobre as características do produto; Transformações físicas no produto;

2 A HISTÓRIA DO ULTRA-SOM Durante a década de 1920, vários pesquisadores relataram que a ultra-sonografia pode ser usada para: Ruptura de microrganismos; Emulsificar óleo e água; Atomizar líquidos; Causar agitação no interior das células; Acelerar as reacções químicas. Mecanismos para explicar os efeitos do ultra-som: Aquecimento Agitação (transferência de massa e calor) Agregação Cavitação

3 Material Tipo de onda Estado Velocidade (m / s) Ar Longitudinal Gás, 20 C 344 Alumínio Longitudinal Transversal Água Longitudinal Vapor de água Água, 25 C Gelo Transversal Gelo 2000 Sumo de laranja Longitudinal Líquido, 20 C Congelado, -20 C Carne (direcção de sinal de ultrasom ou paralela ou perpendicular à orientação da fibra muscular) Longitudinal Aquecida 37 C Perpendicular Paralela Refrigerada, 0 C Perpendicular Paralela Congelada, -9 C Perpendicular Paralela Teor de gordura de misturas à base de carne Longitudinal Longitudinal 100% carne magra 50%carne magra/50%gordura 100% gordura Azeite Longitudinal Líquido, 60 C Sólido, 30 C CARACTERÍSTICAS DAS ONDAS Os parâmetros fundamentais que caracterizam as ondas de ultra-som são a velocidade (c), comprimento de onda ( ), frequência (f), amplitude (A) e intensidade (I); A 2

4 CAVITAÇÃO A onda de choque provoca variações de pressão. Todo o líquido tem um ponto chamado tensão de vapor; quando nos situamos por baixo do dito valor de pressão, o líquido passa a estado gasoso, o que origina bolhas de vapor (cavidades). As bolhas deslocam-se até uma região de maior pressão (compressão) e chocam entre si. Podem ser observados dois tipos de cavitação: Estável - a bolha cresce pouco ou moderadamente durante cada ciclo acústico, podendo então atingir um determinado tamanho; Transiente - bolhas de gases crescem (ao longo do um número de ciclos de compressão e rarefacção) até que explodem violentamente, causando alta pressão e mudança de temperatura. As bolhas crescem durante a rarefacção e sofrem colapso durante o ciclo de compressão;

5 Quando se dáo colapso da bolha de cavitação transiente, háuma rápida abundância de líquidos de todos os lados. Se a bolha de cavitação transiente se destrói quando está perto de uma superfície sólida um Microjacto (o líquido não é capaz de fluir de todos os lados) Microjactos Efeitos desejáveis: limpeza de superfícies; aumento na área superficial para a reacção Efeitos prejudicias: erosão de hélices Base de ultra-som de desgasificação de líquidos: gás pode difundir-se progressivamente a partir do meio envolvente, ou a bolha pode unir-se com outras bolhas, aumentando progressivamente de tamanho até flutuar para a superfície.

6 SONOCHEMESTRY Termo utilizado para reacções químicas realizadas sob um campo acústico Ultra-som produz uma gama de efeitos sobre as reacções químicas no material tratado: formação de radicais livres; taxas de reacção aumentam; condições de processamento menos extremas; a eficiência do catalisador melhorado, permite a utilização de matériasprimas menos refinadas; redução número de etapas de processamento; e sonoluminescência. luz emitida durante o colapso das cavidades estável ou transitória, devido a pressões e temperaturas geradas Dentro da cavidade em colapso há pressões extremas, temperaturas e taxas de resfriamento, juntamente com gás ou vapor a partir do meio líquido. Não pode haver danos mecânicos no material sólido, com ondas de choque e microjactos, pode causar: danos à superfície, fragmentação de materiais frágeis, desagregação de grupos de partículas e colisões entre as partículas, podendo causar erosão ou fusão. A base da Sonochemistry éa cavitação.

7 INSTRUMENTOS DE ULTRA-SOM Transdutores São dispositivos que convertem uma forma de energia noutra forma Há dois tipos de transdutores: Mecânicos e electroacústicos. TRANSDUTORES MECÂNICOS Dependem do fluxo de um liquido ou de um gás através de um aparelho para gerarem ultrasons TRANSDUTORES ELECTROACUSTICOS Éum dispositivo que converte a energia mecânica em energia eléctrica, com alta frequência. Existem dois tipos de transdutores: mecânico electromecânico.

8 Os tipos de aparelhos de ultra-som disponíveis são: reactores banhos de ultra-som sistemas de sonda A frequência da vibração depende do vazão de líquido, que vai gerar ultra-som, que pode causar cavitação no líquido. Esses tipos de sistema podem ser usados para processos de líquido de alta potência como a homogeneização, emulsificação e dispersão. EQUIPAMENTO DE ULTRA SOM Reactores Banhos de ultra som Sistemas de sonda

9 REACTORES Utiliza uma fonte mecanica de ultra-som A frequencia da vibração depende do vazão de líquido Podem ser usados para processos de líquido de alta potencia como hogeneização, emulsificação e dispersão BANHOS DE ULTRA SOM Baixo custo, simples e versáteis Constituídos por um banho de metal com um ou mais transdutores presos ás paredes do tanque A potencia máxima do tratamento ultra-sónico é geralmente baixa.

10 SISTEMAS DE SONDA É utilizado um chifre de metal acoplado nos transdutores ultra sónicos São colocados directamente dentro ou contra o material a ser processado Pode produzir intensidades de ultra som até centenas de W/cm2 Desvantagens: erosão da ponta do chifre, formação de radicais livres e aquecimento do material exposto ao ultra-som ULTRA-SOM As ondas sonoras são Audíveis numa frequência de 20 khz Baixa potência, ultra-som de alta frequência (<1 W/cm2; >100 khz) Alta potência, ultra-som de baixa frequência ( W/cm2; khz)

11 TRATAMENTO ANTIMICROBIANO É devido: a pressões e temperaturas locais extremas (50 MPa, 5500 C) produzido durante a cavitação: danos na parede celular produção de radicais livres que causam danos ao DNA microcorrentes causam afinamento da parede TRATAMENTO ANTIMICROBIANO É necessário conhecer com precisão: Condições do tratamento Amplitude Características do meio de tratamento Tensão superficial Freqüência ultra-sônica Viscosidade Pressão hidrostática Gases dissolvidos Temperatura Pressão de vapor

12 SENSIBILIDADE DE DIFERENTES MICRORGANISMOS Se pode aplicar sobre : 1. Bactérias 2. Leveduras 3. Fungos 4. Protozoários 5. Vírus Eficácia depende: Do microrganismo Das características do microrganismo(tamanho e forma) É IMPORTANTE CONSIDERAR TAMBÉM A INFLUÊNCIA DE. FASE DE CRESCIMENTO:fase exponencial mais sensível que a fase de crescimento (E.coli) TEMPERATURA DO CRECIMENTO PRÉ-TRATAMENTOS TÉRMICOS SUBLETAIS:determinados faixas de temperatura favorecem a inactivação com MTS (pressãotemperatura-ultra-som)

13 EFICÁCIA COMO UM TRATAMENTO ANTIMICROBIANO Mais eficaz quando combinado com outros métodos TERMO-SONICAÇÃO ( calor e ultra-som) MÃO-SONICAÇÃO (pressão e ultra-som) MÃO-TERMO-SONICAÇÃO (pressão, calor e ultrasom) O ULTRA-SOM COMBINADO COM O CALOR E PRESSÃO (BACILLUS SUBTILIS)

14 MEIOS PARA O PROCESSAMENTO Características do meio em que o processo ocorre: ph os microrganismos são menos termo resistentes geralmente quando diminui o ph, a acidificação do meio de tratamento reduz a sobrevivência; adição dos agentes químicos ; a W a diminuição da actividade de água aumenta a resistência dos microrganismos; aumento da concentração de solutos (extracção de água dos alimentos ou pela adição de solutos); Viscosidade protege o organismo reduzindo a cavitação. DESCONTAMINAÇÃO DE SUPERFÍCIES DE ALIMENTOS E SUPERFÍCIES DE PROCESSAMENTO Depende : Do material; Da textura; Do microrganismo; Do tempo de tratamento e Dos productos do proceso Éeficaz porque pode atingir pontos que são dificilmente atingidos por métodos de limpeza convencionais. Pode-se aplicar sobre Superfícies de alimentos como carne, vegetais ou superfície de ovos. Superficies e materias de processamento (facas)

15 TRANSFERÊNCIA DE MASSA Éum processo de transporte onde existe a migração de uma ou mais espécies químicas de um dado meio. Transferência de Massa Diferença de concentração Mecanismo Difusão Convecção SECAGEM Consiste na remoção de água e outros solventes de um sistema sólido ou semi-sólido. A taxa de secagem vai depender: estrutura do material temperatura humidade relativa do ar velocidade do ar durante o processo O movimento do líquido interno presente no material atéao exterior émais rápido

16 DESIDRATAÇÃO Consiste na imersão de produtos alimentares sólidos ou semisólidos em soluções aquosas concentradas de açúcares ou sais O tratamento de ultra-som tem provocado ser uma técnica eficaz no aumento da taxa de desidratação osmótica. SALGA DO QUEIJO O sal : altera o sabor textura reduz o teor de água melhora a segurança microbiana contribui para a maturação do produto A combinação do ultra-som com a desidratação osmótica émais eficaz para amostras de grandes dimensões.

17 CURA DE PRODUTOS Tem como objectivo conservar os alimentos através: adição de sal, compostos fixadores de cor açúcar Os ultra-sons vão permitir que a água salgada (salmoura) introduzida no produto fique distribuída uniformemente FILTRAÇÃO POR MEMBRANA Éuma técnica que utiliza uma barreira física, sob a forma de membrana porosa ou filtro, para separar as partículas num fluído, através do efeito da pressão Métodos de filtração por membrana: osmose inversa, nanofiltração, ultrafiltração microfiltração todos eles pretendem a separação ou concentração de substâncias num líquido.

18 MELHORIA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR ₀No congelamento; ₀No descongelamento e ₀Na preparação dos alimentos (cozimento). CONGELAMENTO O ultra-som pode auxiliar no processo de congelamento, através da diminuição do tempo necessário para congelar os alimento melhorando a sua qualidade. Para este efeito o ultra-som pode ser usado de forma a: Aumentar o coeficiente de transferência de calor convectivo entre o alimento a ser congelado e do refrigerador; Aumentar a taxa de nucleação e a taxa de crescimento dos cristais A desvantagem do uso de ultra-som para melhorar o processo de congelamento é que o ultrasom também gera calor

19 DESCONGELAMENTO É feito tradicionalmente com ar ou água; Objectivo éminimizar o tempo de descongelamento e evitar a formação de pontos quentes A absorção de energia ultra-sónica depende: do relaxamento termoelástico; dos cristais de gelo nos alimentos; da orientação e tamanho dos cristais de gelo; das impurezas presentes nos cristais de gelo e da temperatura dos alimentos COZINHAR O ultra-som de cozinha (1000 W, 20 khz) de amostras de carne bovina em um banho de água: reduziu o tempo de cozimento; o consumo de energia e deu um rendimento mais elevado. Uma desvantagem neste processo é os alimentos terem um sabor mais pobre.

20 PROCESSAMENTO DAS PROTEÍNAS NOS ALIMENTOS O ultra-som pode ser usado para melhorar o processamento de alimentos que contenham proteínas como: o amaciamento de carne crua; a destruição de microrganismos, a homogeneização, a extracção de proteínas das células, e o aumento da filtração por membranas. INACTIVAÇÃO DA ENZIMA O ultra-som aumenta a eficácia da inactivação de enzimas. A estabilidade do ultra-som das proteínas individuais varia entre as enzimas e também depende das condições de tratamento através do ultra-som: da composição do tratamento, do tratamento de ph, e se elas estão vinculadas ou livres.

21 INACTIVAÇÃO DA ENZIMA Inactivação enzimática geralmente aumenta com : o aumento da potência do ultra-som, a frequência do ultra-som, o tempo de exposição, a amplitude, a intensidade de cavitação, a temperatura de processamento e com a pressão transformação. E diminui àmedida que o volume a ser tratado aumenta. ALTERAÇÕES NAS PROTEÍNAS O ultra-som induziu alterações no leite que afectam as características dos produtos fabricados a partir do leite. Iogurtes fabricados a partir de leite processado com ultra-som teve 10% -20% mais tempo para fermentar (queda de ph mais lenta), perderam menos soro, e tinham uma diferente textura (elevada força de compressão mais e maior viscosidade) dos iogurtes que derivam de leite tratado convencionalmente.

22 ULTRA SOM, COMO AJUDANTE À TRANSFORMAÇÃO Utilizado para aumentar a eficiência dos alimentos relacionados com processos enzimáticos Como? Controlando a actividade enzimática ULTRA SONS NO PROCESSO DE HOMOGENEIZAÇÃO E EMULSIFICAÇÃO Homogeneização Quando o tamanho de uma dispersão não uniforme de um sistema éreduzido a uma dimensão necessária e distribuída uniformemente no volume do produto (Ex. leite) Emulsificação Quando dois componentes imiscíveis são misturados e distribuídos uniformemente (ex. óleo e água)

23 Emulsificação e homogeneização por ultra-som: Conduzida por cavitação Produzida através de: imersão de um sonotrodo (para mistura de todos os componentes) Para processar produtos de volumes mais pequenos Aparelho de liquido?? Para processar produtos de volumes maiores Mais fáceis de operar, controlar e limpar em comparação com os microfluidizadores AMACIAMENTO DA CARNE É influenciada por multiplicidade de factores. Através dos ultra-sons pode-se: Aumentar a tenrura da carne, através de proteolises que contribui para o amaciamento da carne durante o envelhecimento No entanto, pode-se danificar as paredes celulares e membranas das células e interromper fisicamente as proteínas através de : Formação de radicais livres, cavitação e pulsação de bolhas.