AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA E VELOCIDADE DO AR NA SECAGEM DE GOIABA 1

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1 141 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA E VELOCIDADE DO AR NA SECAGEM DE GOIABA 1 Maria Elessandra de Araújo Rodrigues 2, Francisco de Assis Cardoso Almeida 3, Josivanda Palmeira Gomes de Gouveia 3, Manassés Mesquita da Silva 4 RESUMO Neste trabalho foi estudada a cinética de secagem da goiaba (Psidium guajava L), variedade vermelha, em leito estático sob camada fina para as temperaturas e velocidade do ar de secagem variando de 76 a 100 ºC e 0,8 a 2,2 m.s -1, respectivamente, conforme planejamento experimental (2 2 + configuração estrela). Visando a otimização do processo analisou-se a influência da temperatura e velocidade do ar de secagem com o intuito de obter modelos empíricos que representasse esse processo. Observou-se através das curvas que, quanto maior a temperatura, maior a taxa de secagem e a perda de umidade tende a estabilizar num período de aproximadamente 90 minutos, concluindo-se que a temperatura é o fator de maior influência na secagem deste produto, a taxa de secagem foi influenciada pela velocidade do ar de secagem em temperaturas na faixa de 100 ºC e velocidade do ar maior que 2 m.s -1, o modelo de segunda ordem foi o que obteve os valores de maior significância estatística, com maiores valores de R² e a relação de F calculado frente ao F tabelado foi no mínimo 11 vezes maior, revelando-se amplamente satisfatório para fins preditivos. Palavras-chave: planejamento experimental; Secagem. EVALUATION OF THE TEMPERATURE AND AIR VELOCITY IN THE DRYING PROCESS OF GUAVA ABSTRACT In this work it was studied the drying kinetics of the guava (Psidium guajava L), red variety, in static drier under thin layer for the drying air temperatures and speed from 76 to 100 ºC and 0,8 to 2,2 m.s -1, respectively, according to the experimental designer (2 2 + star configuration). Seeking the process optimization. It was analyzed the influence of the drying air temperature and speed to obtain empiric models which represented this process. It was observed, through the drying curves, that, the larger the temperature is, the larger the drying rate speed larger and the humidity loss tends to be stabilized in a period of approximately 90 minutes. The temperature is the larger influence factor in the drying of this product, the drying rate was influenced by the drying air speed at temperatures of 100 ºC and the air speed larger than 2 m.s -1, the second order model was, the one which obtained the larger statistical signification values with larger values of R², the relationship of F was calculated according to the controlled F and it was at least 11 times bigger then, it s satisfactory to predictive ends. Keywords: experimental designer, drying.. INTRODUÇÃO Em climas tropicais, parte da produção de frutas e hortaliças é perdidas nos centros de produção por não disporem de técnicas eficientes de processamento de produtos nativos, que asseguram um tempo maior de conservação, as frutas não processadas são bastante perecíveis, suas perdas pós-colheita nos países menos desenvolvidos ultrapassam 20% (Aguilera e Parada, 1992). 1 Parte do trabalho de Dissertação de Tese do primeiro autor, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola da UFCG 1 Aluna do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola da UFCG. ele.sandra@bol.com.br. 1 Professores do Departamento de Engenharia Agrícola da UFCG, Av. Aprígio Veloso, 882, Fone: josi@deag.ufpb.br; diassis@deag.ufpb.br. 1 Aluno de Graduação do Curso de Engenharia Agrícola da UFCG. manasses.m.s@bol.com.br

2 142 Avaliação da temperatura e velocidade do ar na secagem de goiaba, Rodriguez, et al. Uma das principais dificuldades enfrentadas pelos produtores da goiaba em relação à baixa produção e comercialização do produto no exterior é a carência de tecnologia adequada, durante o manuseio, transporte e estocagem para a sua conservação e transformação, mantendo estes produtos com boa qualidade e aparência. Devido à goiaba ser perecível, faz-se necessário o seu processamento de modo a obtê-las na forma adequada para preservá-las por um longo período de tempo. O processo que envolve a remoção de água de produtos biológicos é denominado de secagem. Este processo permite a preservação dos alimentos pela remoção de água, concedendo a redução do crescimento microbiano e prevenindo o desenvolvimento da maioria das reações bioquímicas que ocorre na presença de umidade. Uma vez o produto colocado em contato com o ar quente, ocorre uma transferência de calor do ar ao produto sob efeito da diferença de temperatura existente entre eles. Simultaneamente, a diferença de pressão parcial de vapor de água existente entre o ar e a superfície do produto determina uma transferência de massa para o ar, na forma de vapor da água (Perry, 1984). Uma parte do calor que chega ao produto é utilizada para vaporizar a água A evolução destas transferências simultâneas de calor e de massa no curso da operação faz com que esta seja dividida esquematicamente em 3 períodos. O primeiro deles é o período de indução ou período de se entrar em regime operacional. O segundo é o período de secagem à taxa constante e o terceiro é o período à taxa decrescente. O período de secagem à taxa decrescente quase sempre o único observado na secagem dos produtos agrícolas. No momento em que a quantidade de água diminui na superfície, ocasiona um decréscimo da velocidade de secagem, dando início ao período de taxa decrescente. Vagenas et al. (1990) ao estudarem a secagem de alimentos verificaram que, dentre as dificuldades ou problemas encontrados, durante a secagem, tem-se a complexidade da composição e estrutura do alimento. Existem métodos empíricos, teóricos e semiteóricos para descrever matematicamente o processo de secagem. O método empírico é utilizado para análise de secagem, usando dados experimentais que podem ser determinados em laboratório e na utilização da análise adimensional. Tal método geralmente se baseia nas condições externas de secagem, não fornecendo indicações sobre o transporte de energia e massa no interior do produto, muito embora forneça informações práticas para elaboração de projetos (Fortes e Okos, 1980). No processo de secagem é de fundamental importância o estudo das variáveis, com a temperatura e a velocidade, as quais podem ser obtidas por meio de um planejamento experimental, o qual permite verificar, através de um número menor de experimentos, a influência das variáveis no estudo da cinética de secagem, verificando, também, os efeitos individuais e de interação de todas as variáveis sobre a resposta, a definição das variáveis mais importantes para o processo, observação dos erros experimentais e de regressão e a modelagem empírica dos resultados em função das variáveis escolhidas, através de programas estatísticos de regressão, mostrando as melhores faixas de operação de processos. Khuri e Cornell (1987) estudaram o chamado Planejamento Composto Central, também denominado de configuração estrela. Este planejamento consiste de um planejamento fatorial completo 2 k, com replicatas no ponto central e dois pontos sobre o eixo de cada variável a uma distância ±., para investigação de um modelo quadrático. Otimização é o processo de descoberta de uma série de condições requeridas para obtenção do melhor resultado em determinada situação. Os processos de otimização são divididos em etapas, caracterizadas por decisões sobre a função objetiva a ser observada, pela determinação dos fatores que influenciam significativamente a resposta e, por fim, a otimização propriamente dita das variáveis selecionadas (Eiras e Andrade, 1996). Vários procedimentos, como o planejamento fatorial, a metodologia da superfície de resposta, vem sendo utilizados na otimização de uma ou mais respostas (Arteaga et al., 1994)A Metodologia da superfície de resposta é um conjunto de técnicas de modelagem e otimização muito utilizadas em ciência de alimentos, em que várias respostas são medidas para cada conjunto de condições experimentais e um modelo é ajustado para cada resposta, permitindo através de um número menor de experimentos verificar a influência de diversas variáveis na resposta, bem como otimizá-las Para verificação dos modelos empíricos através de regressão de primeira ou segunda ordem, Box et al. (1978) afirmam que se faz necessário uma análise estatística, com dois parâmetros muito importantes: o coeficiente de correção da regressão e o valor estimado para o teste F. para a regressão não ser apenas estatisticamente significativa, mas também útil para fins preditivos, o valor de F calculado deve ser no mínimo quatro a cinco vezes o valor do F tabelado (Barros Neto et al., 1995).

3 Avaliação da temperatura e velocidade do ar na secagem de goiaba, Rodriguez, et al. Gouveia et al. (1999) mediante planejamento experimental, secou caju a temperaturas de 29, 35, 50, 65 e 71ºC e velocidade do ar de secagem, variando entre 0,8 a 2,2 m.s -1, observou que há uma tendência da maximização da redução do conteúdo de umidade, na faixa mais elevada da temperatura, independente da velocidade do ar de secagem utilizada, tendo em vista que a altas temperaturas e baixas velocidade do ar, obtiveram resultados satisfatórios, alcançando uma alta eficiência. Moura (2001), Utilizando o planejamento experimental na avaliação da cinética de secagem de caju, para a avaliação dos efeitos da temperatura e velocidade do ar, observou que a temperatura foi o fator de maior influência no processo. Verificando, ainda, que o modelo de 2 a ordem, fornecido pelo planejamento, foi o melhor para representar a cinética de secagem desse produto. O presente trabalho teve por objetivo estudar a cinética de secagem da goiaba para camadas finas em secador de leito fixo, utilizando o planejamento experimental para obtenção de um modelo de secagem que se ajuste aos dados experimentais, bem como a observação dos efeitos da temperatura e a velocidade do ar sobre o processo de secagem. MATERIAL E MÉTODOS Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Armazenamento e Processamento de Produtos Agrícolas do Departamento de Engenharia Agrícola em conjunto com o 143 Laboratório de Meios Particulados e Porosos do Departamento de Engenharia Química, ambos pertencentes ao Centro de Ciências e Tecnologia, CCT, da Universidade Federal de Campina Grande, utilizando-se frutos da goiaba. A secagem da goiaba foi realizada em camada fina em um secador de leito fixo em que foram utilizadas triplicatas de cada amostra. Estas foram cortadas em fatias transversais com espessura de 0,5 cm. Antes de ingressar no secador foram distribuídas uniformemente em cesta previamente tarada, então o conjunto (cesta + amostra) foi pesado e colocado dentro do secador previamente estabilizado a temperatura desejada. A umidade perdida durante a secagem foi obtida por pesagens descontinuas das amostras e seguiu-se um esquema de secagem em intervalos de 5, 10, 30, 60 até o final do processo de secagem. As pesagens foram conduzidas até que a variação de massa se tornasse insignificante. Após este procedimento, as amostras foram levadas à estufa à temperatura de 105ºC por três horas, para determinação da massa seca. A temperatura e a velocidade do ar de secagem que dependem do tempo, foram definidas como as variáveis nos dois níveis (-1 e +1), estudadas no processo de secagem para cada variável de entrada. As temperaturas foram fixadas em 80, 90, 100ºC e velocidade em 1,0, 1,5, e 2,0 m.s -1, variando-se o tempo, conforme o decorrer da secagem, em intervalos regulares. Na Tabela 1, encontram-se os valores reais e codificados para o planejamento fatorial. Tabela 1 - Valores reais e os níveis dos fatores do planejamento fatorial completo (2 2 ) estudado Níveis Variáveis Temperatura (ºC) Velocidade do ar (m.s -1 ) 1,0 1,5 2,0 Este planejamento fatorial inicial foi ampliado para um planejamento fatorial 2²+ configuração estrela, com deslocamento axial (níveis -, -1, 0, +1, + ) para ajuste dos modelos quadráticos. O cálculo foi feito usando a equação determinada por Box e Wilson (1951). em que: k K = número de variáveis independentes (K= 2), logo, = 1,4142. A Tabela 2 contém os valores reais e codificados para todos os níveis estudados; e na Tabela 3, a matriz do planejamento de experimentos.

4 144 Avaliação da temperatura e velocidade do ar na secagem de goiaba, Rodriguez, et al. Tabela 2 - Valores reais e os níveis dos fatores do planejamento fatorial completo (2 2 + configuração estrela ) Variáveis Níveis -1, ,4142 Temperatura (º C) Velocidade do ar (m.s -1 ) 0,8 1,0 1,5 2,0 2,2 Tabela 3 - Matriz do planejamento dos experimentos em sua forma codificada e real Ensaios Temperatura Velocidade do ar Codificada Real (º C) Codificada Real (m.s -1 ) , , , , , , ,5 08-1, , ,4142 2, , , ,4142 0,8 A avaliação da qualidade do ajuste dos modelos empíricos obtidos através de regressão empregados aos dados experimentais, foi feito com base nas recomendações de Barros Neto et al. (1995) RESULTADOS E DISCUSSÃO A cinética de secagem da goiaba é apresentada na forma adimensional do conteúdo de umidade, (X X e )/(X X e ) em função do tempo, na Figura 1. 1,0 Adimensional de umidade (g/g) 0,8 0,6 0,4 0,2 T = 76ºC e Var = 1,5m.s -1 T = 80ºC e Var = 1,0m.s -1 T = 80ºC e Var = 2,0m.s -1 T = 90ºC e Var = 0,8m.s -1 T = 90ºC e Var = 1,5m.s -1 T = 90ºC e Var = 2,2m.s -1 T =100ºC e Var = 1,0m.s -1 T =100ºC e Var = 2,0m.s -1 T =104ºC e Var = 1,5m.s Tempo (min) Figura 1 - Cinética de secagem da goiaba para cinco temperaturas e cinco velocidades do ar de secagem.

5 Avaliação da temperatura e velocidade do ar na secagem de goiaba, Rodriguez, et al. Através das curvas de secagem, pode-se observar influência da temperatura neste processo.. Verifica-se que, para um mesmo tempo, quanto maior for a temperatura do ar, maior é a taxa de secagem e que a perda do conteúdo de umidade é mais rápida no início do processo de secagem, tendendo a estabilização num período de tempo de aproximadamente 90 minutos. Concluindo-se que a temperatura do ar de secagem é o fator de maior influência na qualidade final de secagem da goiaba. Comportamento similar foi observado em estudos com produtos agrícolas, destacando-se os trabalhos de Yoshida (1997), Prado (1998), Silva (1999) e Moura (2001), secando milho doce, tâmaras, algaroba e caju, respectivamente. Quanto à velocidade do ar de secagem, os resultados deixam claro que esta teve uma pequena influência sobre a taxa de secagem da goiaba, apenas, quando se trabalhou com a temperatura de 100ºC, a velocidade de 2,0 m.s -1, contribuindo para que a secagem ocorresse de forma mais rápida nesta condição. Desta forma, pode-se considerar como uma variável de menor importância. Rapusas e Driscoll (1995), Prado (1998) e Gouveia (1999) comentam resultados similares para a cinética em camada fina de cebola, tâmaras e gengibre, respectivamente. Em análise aos dados contidos na Tabela 4, verifica-se o efeito principal da temperatura sobre a perda do conteúdo de umidade para cada período de secagem, os quais são crescentes até o período de 40 minutos. Neste período, quando a temperatura passa de seu nível inferior 1 (80ºC) para o nível superior +1 (100ºC), conforme observado ainda nesta tabela, ocorre uma redução de 0,146 Adm no conteúdo de umidade do produto, este efeito negativo da mudança de nível indica um aumento da perda de umidade da goiaba. Resultados semelhantes foram observados por Gouveia et al. (1999) e Moura (2001), na secagem de gengibre e caju, respectivamente. Está redução de umidade do produto, ocorre devido à influência da temperatura no processo de secagem, sendo considerada o fator controlador da perda de umidade do produto. 145 Tabela 4 - Efeitos principais da temperatura sobre a perda do conteúdo de umidade do goiaba, para diferentes tempos de secagem Tempo (min) Efeitos 5 0, , , , , , , , ,1139 A Tabela 5 da análise de variância contém os dados dos ajustes dos modelos quadráticos e linear. Os valores do F, calculado pelo modelo quadrático foi de 108,7 (Tabela 5a) e 31 para o modelo linear (Tabela 5b). Estes valores, quando comparados com o F tabelado 21,2 e 4,7, respectivamente, indica que ambos os modelos são significativos ao nível de 95% de confiança, contudo, o modelo quadrático apresentou valores mais significativos que o modelo linear, ou seja, o F calculado foi 21,2 vezes maior que o F tabelado, por isso a preferência pelo quadrático. Outra razão pela escolha deste modelo é o valor da soma dos quadrados dos resíduos por estar de acordo com as recomendações de Barros Neto et al. (1995) ao afirmarem que o exame dos resíduos é de fundamental importância na avaliação da qualidade de qualquer modelo, pois, o modelo que deixa resíduos consideráveis, obviamente, é considerado um modelo ruim para fins preditivos. Na Tabela 6, têm-se os modelos empíricos de 2 a ordem, ajustados para cada tempo de secagem das amostras da goiaba. Os parâmetros destacados foram aqueles estatisticamente significativos. Resultados semelhantes foram observados por Gouveia et al. (1999) e Moura (2001) os quais utilizaram o planejamento experimental na avaliação da cinética de secagem de gengibre e caju respectivamente.

6 146 Avaliação da temperatura e velocidade do ar na secagem de goiaba, Rodriguez, et al. Tabela 5 - Resultados da análise de variância para o modelo quadrático (a) e linear (b) no tempo de 15 minutos (a) Fonte de variação Soma dos Média da soma dos Grau de Teste F quadrados quadrados liberdade Devido a regressão 0, , ,70 Resíduos 0, , Falta de ajuste 0, , ,42 Erro puro 0, , Total 0, , Coeficiente de 0,92 determinação F Tabelado R 5,12 F cal/ftab 21,20 F Tabelado fa 19,35 F cal/ftab 0,02 (b) Fonte de variação Soma dos Média da soma dos Grau de Teste F quadrados quadrados liberdade Devido a regressão 0, , Resíduos 0, , Falta de ajuste 0, , ,10 Erro puro 0, , Total 0, , Coeficiente de 0,85 determinação F Tabelado R 6,61 F cal/ftab 4,70 F Tabelado fa 19,16 F cal/ftab 0,06 Tabela 6 - Modelos ajustados para cada tempo de secagem das amostras da goiaba Tempo (min) Modelo 5 Adm 0,8737-0,0280T-0,0017T²-0,0224V-0,0015V²-0, Adm 0,7798-0,0422T-0,0098T²-0,0328V-0,0085V²-0, Adm 0,6946-0,0552T-0,0027T²-0,0330V-0,0067V²-0, Adm 0,6232-0,0590T-0,0070T²-0,0320V-0,0066V²-0, Adm 0,5604-0,0658T-0,0075T²-0,0335V-0,0057V²-0, Adm 0,5015-0,0678T-0,0041T²-0,0361V-0,0103V²-0, Adm 0,4001-0,0731T-0,0026T²-0,0332V-0,0080V²-0, Adm 0,3227-0,0655T-0,0005T²-0,0266V-0,0131V²-0, Adm 0,2655-0,0569T-0,0036T²-0,0182V-0,0136V²-0,0109 Adm = (X Xe)/(Xo Xe) CONCLUSÕES Tendo-se como base os resultados apresentados e nas condições em que a pesquisa foi desenvolvida, pode-se concluir que: Para o mesmo tempo do processo, quanto maior for à temperatura do ar, maior é a taxa de secagem e a perda de umidade da goiaba tende a estabilizar no período de 90 minutos; O modelo empírico de segunda ordem foi o que obteve os valores de maior significância estatística, podendo ser utilizado para fins preditivos;

7 Avaliação da temperatura e velocidade do ar na secagem de goiaba, Rodriguez, et al. A temperatura é o fator controlador do processo de secagem e que a velocidade do ar de secagem tem uma pequena influência, quando trabalhadas nas faixas de temperaturas maiores que 100ºC e 2,0 m.s-1, correspondendo estas às melhores faixas de trabalho. 147 Gouveia, J.P.G.; Almeida, F.A.C.; Silva, F.L.H.; Murr, F.E.X. Estudo da cinética de secagem de gengibre em um secador de leito fixo. Revista Brasileira de Armazenamento, Viçosa, v.24, n.2, p.20-27, REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aguilera, J.M.; Parada, E. On moisture foods and combined methods technology. Food Res. Int., v.25, p , Arteaga, G.E; Li-Chan, E; Vazquez-Arteaga, M.C; Nakai, S. Systematic experimental designs for product formula optimization. Trends in Food Science & Technology, v.5, p , Barros Neto, B.; Scarmínio, I.S.; Bruns, R.E. Planejamento e otimização de experimentos. Campinas: Editora da UNICAMP, p. Box, G.E.P., Hunter, W.G., Hunter, J.S. Statistics for experimenters: an introduction designs, data analysis and model building. Nova York: Wiley, Eiras, S; Andrade, J.C. O uso do simplex modificado como estratégia de otimização em química analítica. Química Nova, v.19, n.1, p , Fortes, M.; Okos, M.R. Drying theories; their bases and limitacions as apllied to foods and grains. In: MUJUNDAR, A. S., (ed.). Advances in drying. New York: Science Press, p Khuri, A., Cornell, J.A. Response surface: designs and analyses. American Society for quality Control, Moura, R.S.F. Estudo da cinética de secagem de caju (Anacarduim occidentale L.) em secador de leito fixo f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola). DEAg/UFPB, Campina Grande Perry, J. H. Chemical engineer s handbook. 6. ed. New York: Mc Graw-Hill, p. Prado, M.E.T. Secagem de tâmaras (Phoenix dactylifera L.) para a obtenção de tâmara passa f. Tese (Doutorado em Engenharia de Alimentos). UNICAMP/FEA Campinas Rapuzas, R.S.; Driscoll, R.H. The thin-layer drying characteristics of white onion slice, Drying Technology. New York, v.13, n.8 e 9, p , Silva, J.E. Secagem de vagens de algaroba Prosopis juliflora (S.W.) D.C. em laboratório e em nível de fazenda. 1999, 78f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola). DEAg/UFPB. Campina Grande Vagenas, G.K., Marinos-Kouris, D.E; Saravacos, G.D. Thermal properties of raisins. Journal of Food Engineering, Barking, v.11, p , Yoshida, C.M.P. Cinética de secagem do milho super doce. 1997, 149 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Alimentos). FEA/ UNICAMP, Campinas

8 148 ÁREA DE ARMAZENAMENTO PROCESSAMENTO DE PRODUTOS AGRÍCOLAS A Área de Armazenamento e Processamento de Produtos Agrícolas do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Campina Grande mantém 5 Laboratórios dentre eles o Laboratório de Propriedade Físicas dos Matériais Biológicos, atendendo diversas linhas de pesquisas dentre as quais as de: Estudos das características físicas dos produtos agrícolas como grãos, sementes, frutos, raízes e tubérculos, além de produtos cárneos, peixes e crustáceos; Propriedades termofísicas dos materiais biológicos a temperaturas acima do ponto de congelamento, abaixo do ponto de congelamento e a temperaturas criogenicas Desenvolvimento de equipamentos para medições sensoriais dos alimentos Estudo de propriedades aerodinâmicas e hidrodinâmicas dos materiais biológicos Estudo reológico e reométrico de produtos agroindustriais LABORATÓRIO DE PROPRIEDADES FÍSICAS DE MATERIAIS BIOLÓGICOS O Laboratório atende principalmente os Cursos de Graduação e Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, além do Doutorado em Engenharia de Processos da UFCG. Coordenação da Área de Armazenamento e Processamento de Produtos Agrícolas Av. Aprígio Veloso, 882 Caixa Postal Fones (083) ; FAX mmata@deag.ufpb.br

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