Aquecimento Ohmico. Escola Superior Agrária de Coimbra. PGA módulo II. Coimbra, 11 de Janeiro de 2010 LEAL 2009/2010. Brenda Melo, nº

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1 PGA módulo II LEAL 2009/2010 Aquecimento Ohmico Coimbra, 11 de Janeiro de 2010 Brenda Melo, nº Inês Ricardo, nº Nádia Faria, nº Tiago Santos, nº

2 Índice Conceito...3 Vantagens e Desvantagens...3 Aplicações...5 Equipamentos...5 Parâmetros de importância no aquecimento óhmico...6 Propriedades do produto...6 Análise da textura...7 Gelatinização...8 Geração de calor...8 Modelagem de processos de aquecimento Óhmico...8 Degradação da vitamina Kinetics...10 Usos do Aquecimento Óhmico...10 Base...10 Branqueamento...12 Evaporação...12 Desidratação...13 Fermentação...13 Extracção...13 Resumos de novos processos...14 Direcções de pesquisas futuras

3 Conceito Os métodos tradicionais de aquecimento foram implementados tendo em vista a segurança microbiológica sem, no entanto, conseguirem atingir elevados padrões de qualidade do produto final. As alterações nos hábitos dos consumidores e o aumento de produtos com uma qualidade superior, fez com que fosse fundamental a procura de tecnologias alternativas para processamento de alimentos. Considerando as novas tecnologias de processamento de alimentos podemos dividilas em processamento térmico e processamento não térmico. Na primeira categoria destaca-se o aquecimento óhmico e micro-ondas, e o tratamento por altas pressões e uso de pulsos eléctricos enquadram-se nos processamentos não térmicos. Aquecimento Óhmico é um processo onde a corrente eléctrica passa através dos alimentos com o objectivo de os aquecer. O calor é gerado internamente devido à resistência eléctrica dos alimentos. O conceito de aquecimento óhmico de alimentos não é recente. No início do século XX começou-se a pasteurizar leite, no entanto este processo foi abandonado pelo custo da electricidade, pela falta de materiais adequados para eléctrodos e por se pensar, naquele tempo, que a electricidade tinha efeitos letais. Vantagens e Desvantagens Vantagens: a) Ausência de superfícies para a transferência de calor, o que diminui o risco de danos aos produtos e risco de overprocessing; b) Aquecimento rápido e uniforme de misturas líquido partículas em algumas condições, por exemplo: líquidos e particular com a mesma condutividade térmica; 3

4 c) Processo industrial de controlo simples e com custos de manutenção reduzidos; d) Eficiência energética bastante superior aos processos tradicionais, o que traz poupanças significativas de energia. Desvantagens: a) Falta de informação/investigação relativa a um vasto número de processos industriais, o que dificulta o validação deste processo; b) Falta de investimento inicial em equipamentos. Para a validação deste processo, no que diz respeito à falta de dados que podem pôr em causa a segurança alimentar, pode-se enumerar: a) Os materiais dos eléctrodos são suficientemente inertes ou haverá migração de compostos para os alimentos? b) Poderá haver formação de compostos potencialmente perigosos induzidos pelos campos eléctricos? c) Haverá um efeito adicional ao efeito térmico da electricidade sobre os microrganismos? 4

5 Aplicações O aquecimento óhmico pode ser aplicado muitos alimentos, incluindo líquidos, sólidos e mistura sólido líquido. As principais aplicações industriais desta tecnologia são processos de branqueamento de vegetais, descongelação de carnes, pasteurização de preparados de fruta e processos de desidratação de frutos e vegetais. Está também a ser estudado outras aplicações para produtos de charcutaria, em que, por exemplo é possível cozer 1kg de fiambre em 2 minutos mantendo intactas as suas propriedades organolépticas. Assim há, não só, uma poupança de energia (cerca de 70%), como também poupança de tempo. Também no processamento de frutos, para além da poupança energética, observase um aumento de 50% de retenção de vitamina C e em 70% a integridade dos pedaços de fruta, o que traz uma melhoria significativa do valor nutricional. Equipamentos Os equipamentos de aquecimento óhmico consistem em: 1. Eléctrodos; 2. Fonte de energia; 3. Tubo ou vaso (meio de limitar a amostra). 5

6 Ilustração 1 - Diagrama esquemático de um processo de aquecimento óhmico Relativamente aos custos deste tipo de processo, este não é um processo que se possa considerar muito dispendioso, apesar de superar os custos dos métodos convencionais. Mas este facto, de os custos do aquecimento óhmico serem superiores, é superado pois a qualidade do produto produzido é muito maior do que a qualidade obtida nos métodos tradicionais. Parâmetros de importância no aquecimento óhmico Propriedades do produto O parâmetro de maior interesse no aquecimento óhmico é a condutividade eléctrica dos alimentos. A condutividade eléctrica é importante no que diz respeito à taxa de transferência de calor e de distribuição da temperatura. 6

7 A condutividade eléctrica é determinada através desta equação: Б= L/AR Em que: Б é a condutividade eléctrica L é o comprimento da amostra A é a área da secção transversal da amostra R é a resistência da amostra Compostos iónicos e ácidos fazem aumentar a condutividade eléctrica, enquanto que gorduras, lípidos e álcoois fazem diminuir a condutividade eléctrica. A condutividade eléctrica está fortemente relacionada com a temperatura quando o campo eléctrico é elevado. Curvas sigmoidais são observadas quando a intensidade do campo eléctrico é baixa. Assim deste modo a condutividade eléctrica aumenta com a temperatura e com a voltagem aplicada e diminui quando aumenta o teor em sólidos; baixas frequências durante o aquecimento óhmico fazem aumentar a condutividade; a forma de onda também é um factor que pode fazer variar a condutividade e esta pode aumentar também tendo em conta o ciclo de aquecimento. Outro ponto não menos importante que os referidos anteriormente é a condutividade eléctrica em partículas sólidas e fluidos durante o aquecimento de misturas polifásicas, ou seja, a taxa de transferência de calor é mais rápida nas partículas sólidas quando a condutividade eléctrica das partículas é menor que a dos fluidos. O movimento dos fluidos e a é outro ponto a ter em conta quando as condutividades são diferentes. Quanto mais viscoso for um fluido mais rápido é o aquecimento óhmico. Por fim propriedades de produtos como: densidade e calor específico também podem afectar a temperatura. Análise da textura Estudos efectuados indicam que produtos com maior qualidade podem ser obtidos diminuindo o tempo de processamento do produto. Foi efectuada uma experiência com uma amostra de um produto devidamente esterilizada, submetida a aquecimento óhmico, onde foram analisados factores como: 7

8 a cor, a aparência, o sabor, a textura em 2 fases: antes ou depois de 3 anos de armazenamento. A conclusão desse estudo diz-nos que o aquecimento óhmico contribui favoravelmente para a estabilidade dos alimentos. Gelatinização A gelatinização é um parâmetro importante na transformação dos alimentos e esta pode ser vantajosa ou não, dependendo do método utilizado para formular o produto desejado. A condutividade eléctrica é influenciada pela gelatinização do amido, ou seja, alguns investigadores descobriram que a condutividade diminui com o grau de gelatinização e sugeriram que o aquecimento óhmico pode ser utilizado com o objectivo de criar um sensor que detecte a gelatinização do amido. Como o aquecimento óhmico permite um aquecimento muito mais rápido dos alimentos do que o aquecimento convencional, vai haver inactivação das enzimas, o que vai permitir a formação de um gel muito mais forte. Geração de calor O calor que se gera internamente durante o aquecimento óhmico não é necessariamente uniforme. Deste modo as equações que permitem estimar a geração de calor vão permitir responder a este tipo de questões: Onde está o ponto frio no meio? Qual é o tratamento letal entregue ao ponto frio? Como é o tratamento letal assegurado? Modelagem de processos de aquecimento Óhmico Em relação a modelagem dos processos de aquecimento óhmico em mecanismos de transferência de calor e morte microbiana, têm se desenvolvido alguns modelos e projectos com vista a fornecer informações sobre a distribuição da 8

9 temperatura ao longo de todo o processo e fornecer previsões exactas do tempo de processamento mínimo letal. Devido a complexidade de diversos factores do alimento e dos outros factores, foram criadas equações básicas para o aquecimento óhmico, estas encontram se descritas a baixo: Eq. 1 Equação da distribuição do calor durante o aquecimento óhmico Eq. 2 1.Taxa de geração interna de energia do fluido, 2. Geração interna de energia.3.campo de tensão. Devido às significativas influencias na compreensão das transferências de calor através destas equações têm sido desenvolvidos métodos com base em soluções numéricas com as devidas condições de contorno e hipóteses, e também de grupos dimensionais. Numa conclusão final observou se que a distribuição da temperatura durante o processo óhmico pode variar significativamente, no entanto as taxas de aquecimento óhmico mantêm-se uniformes. Em termos da cinética de morte microbiana têm sido feitos estudos para verificar se o aquecimento óhmico é eficiente ao ponto de tornar o alimento seguro do ponto de vista alimentar, porem os resultados têm sido inconclusivos, pois podem se encontrar diversos resultados, distintos. Em trabalhos mais recentes observou se que a utilização do aquecimento óhmico é eficaz na redução decimal dos esporos de Bacillus subtilis, os investigadores utilizaram um processo de duas etapas do tratamento térmico óhmico, consistindo num holding e tratamento térmico, acelerando assim a cinética de morte 9

10 microbiana. No final concluíram que a tecnologia de aquecimento óhmico é letal para fungos. Degradação da vitamina Kinetics Existe informação limitada sobre a cinética de degradação do produto durante o aquecimento óhmico. Investigadores mediram a degradação da vitamina C do sumo de laranja durante o aquecimento óhmico e durante o aquecimento convencional, em condições e tempo e temperatura quase idênticas, e concluiu que a electricidade não influencia a cinética de degradação de vitamina C. Outros acharam que a taxa de degradação de ácido ascórbico em solução tampão durante o aquecimento óhmico é uma função de potência, temperatura, concentração de NaCl e os produtos da electrólise. Mais pesquisas nesta área podem incluir a influência da força do campo eléctrico, temperatura do ponto final, e frequência de AC na degradação dos componentes dos alimentos durante o aquecimento óhmico. A caracterização de electrólise é também uma necessidade crítica nesta área. Usos do Aquecimento Óhmico Base As primeiras pesquisas sobre o aquecimento óhmico foram realizadas em transferências de calor e esterilização de misturas de partículas líquidas. Na execução desses estudos os investigadores observaram fenómenos imprevistos. Por exemplo, o aquecimento óhmico da beterraba resultou no aumento da difusão de betanina do tecido, em comparação com o tecido aquecido convencionalmente. Estes investigadores supõem que o aumento da transferência de massa pode ser causado por electroosmose. Estes constataram que a difusão do corante de beterraba sacarina numa solução transportadora aumentou em até 40% durante o aquecimento de 20⁰C a 80⁰C e que a concentração difundida foi proporcional à superfície de partículas e uma função linear de energia eléctrica. Outros investigadores verificaram que no nabo branco aquecido óhmicamente a taxa de aquecimento foi influenciada pela 10

11 frequência; como a frequência de AC diminuiu, a taxa de aquecimento aumentou. Estes investigadores analisaram a hipótese de que a baixa frequência e o rápido aquecimento é causado por electroporação da membrana de tecido rabanete, o que resultou numa diminuição da impedância eléctrica. Estudos posteriores concluíram que a electroporação é o melhor mecanismo para efeitos de transferência de massa durante o aquecimento óhmico. Electroporação é definida como a formação de buracos numa membrana celular resultante da pressão local de iões, que inicialmente não podem permeabilizar a membrana da célula, mas são forçados contra ele pelo campo eléctrico. As frequências alternadas relativamente baixas empregadas durante o aquecimento óhmico permitem esta acumulação de carga na parede celular, resultando na formação de poros. Isto também sugere que quanto menor a frequência de aquecimento óhmico, mais acentuados são os efeitos de transferência de massa. Verificou-se que a DC resultou em menor transferência de massa do que baixas frequências AC de aquecimento óhmico. Foi também postulado, que uma carga eléctrica monopolar (DC) não é tão eficaz como uma carga eléctrica bipolar a criar stress na membrana celular, produzindo assim, menos de um efeito de baixa frequência AC. O aquecimento eléctrico dos alimentos influencia as suas propriedades de transferência de massa. Este fenómeno tem importantes implicações para as operações de processamento de alimentos que envolvem transferência de massa. Existe um grande número de futuras aplicações do aquecimento Óhmico, incluindo o seu uso no branqueamento, evaporação, desidratação, fermentação e extracção 11

12 Branqueamento Devido ao branqueamento exigir grandes volumes de água durante o processamento e por vezes, exigir o corte de legumes, os estudos para aumentar a eficiência do branqueamento com aquecimento óhmico são importantes. Wigerstrom descobriu que com campos eléctricos é reforçada a perda de humidade durante o branqueamento de fatias de batata. Mizrahi determinou que o aquecimento óhmico foi um método eficiente para o branqueamento, pois o calor rápido e uniforme exibido pelo aquecimento óhmico elimina a necessidade de cortar legumes. O rápido tempo de processamento e redução da superfície de contacto (sem corte) reduziu as perdas de soluto por uma ordem de grandeza durante o branqueamento. Sensoy e Sastry concluíram que o uso do aquecimento óhmico durante o branqueamento dos cogumelos resultou numa diminuição do tamanho dos mesmos, a uma temperatura mais baixa e com menos água usada em relação ao branqueamento convencional. Lakkakula mostrou uma desactivação significativa da lipase no farelo de arroz durante o aquecimento óhmico mais estudos que comprovam como o aquecimento óhmico aumenta a eficiência do branqueamento. Evaporação Wang e Chu estudaram o efeito do aquecimento óhmico na evaporação a vácuo de sumo de laranja e constataram que a taxa de evaporação pode ser aumentada até três vezes usando este tipo de aquecimento, o que resulta no aumento da qualidade do produto. Os autores recomendam um maior desenvolvimento nesta área, pois aumenta a eficiência da evaporação, demorando menos tempo. 12

13 Desidratação Esta forma de aquecimento também tem sido usada para aumentar a velocidade de secagem de tecido vegetal. Wang e Sastry mostraram que o tratamento óhmico da batata-doce antes da desidratação acelerou o ar quente de secagem, significativamente, em relação às matérias-primas, convencionalmente tratadas. Lima e Sastry inferiram que a menor frequência de AC usado no aquecimento óhmico aumenta a taxa de ar quente de secagem. Zhong e Lima mostraram que o prétratamento óhmico acelerou a taxa de secagem a vácuo de doce, tanto como 24% destes investigadores também demonstraram que o tratamento óhmico mínimo (força de campo eléctrico de 50V/cm e uma temperatura de ponto de extremidade de 40⁰C) resultou na aceleração máxima ou quase máxima da taxa de secagem. Estes investigadores sugeriram que, por causa do aquecimento óhmico, há o aumento das taxas de secagem e aumenta a extracção de rendimentos. Fermentação Cho descobriu que o tratamento eléctrico leve diminuiu significativamente o tempo de atraso de Lactobacillus Acidophilus, possivelmente devido à electroporação, o que poderia aumentar o transporte de substratos através da membrana celular. Estes investigadores descobriram também que a electricidade aplicada no final do ciclo de crescimento microbiano, provado prejudicial, deve-se, possivelmente ao transporte reforçado de substâncias inibidoras através da membrana celular. Extracção Uma das aplicações do aquecimento óhmico é ser utilizado para aumentar a extracção de componentes dos alimentos. 13

14 Alguns investigadores nesta área utilizaram um campo eléctrico para extrair açúcar de beterraba. Outros trabalharam com maça chegando à conclusão que o tecido da maça durante o aquecimento óhmico antes da extracção mecânica do suco aumentou significativamente os rendimentos do suco da maça relativamente ao tecido de maças não tratadas, e que a diminuição da frequência provoca maior rendimento na extracção. Resumos de novos processos Futuramente existe um forte potencial para melhorar as operações de transferência de massa utilizando este tipo de aquecimento. O aquecimento óhmico leve foi mostrado para aumentar significativamente a desidratação e a eficiência da extracção. Estudos futuros vão incidir no estabelecimento de um conjunto de conhecimentos mais completo sobre os mecanismos para efeitos de transferência de massa, com a finalidade de trazer vantagens para esta área. Direcções de pesquisas futuras 4. Desenvolver métodos de medição de temperatura que não interfiram com o campo eléctrico para o monitoramento interno das partículas sólidas durante o aquecimento. 5. Desenvolver modelos que relacionem parâmetros do processo com as propriedades do produto. 6. Determinar a influência da temperatura e campo eléctrico na cinética de degradação de microrganismos patogénicos. 14

15 7. Desenvolver conhecimentos necessários para poder quantificar os efeitos do campo eléctrico sobre transferência de massa para optimizar aplicações promissoras de aquecimento óhmico, incluindo a secagem, extracção, fermentação, branqueamento, gelatinização e evaporação. 8. Quantificar os efeitos electrolíticos durante o aquecimento óhmico, nomeadamente minimizar as baixas frequências da electrólise, onde existem várias novas opções de processo. 15