RESUMO ABSTRACT Departamento de Engenharia Química / Instituto de Tecnologia / UFRRJ. BR 465 Km 7 Seropédica, RJ CEP

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1 Estudo da Transferência de Massa na Desidratação Osmótica de Physalis (Physalis angulata L.) Gustavo dos Santos Cunha 1 Júlia Benedito Danielsson 1 Maurício Cordeiro Mancini 1 RESUMO CUNHA, G. S., DANIELSSON, J. B., MANCINI, M. C. Estudo da transferência de massa na desidratação osmótica de Physalis (Physalis angulata L.). Neste trabalho foi avaliada a influência da agitação e da concentração de solução hipertônica de sacarose sobre o mecanismo de transferência de massa durante a desidratação osmótica de physalis. Foram utilizadas agitações de 0, 30 e 60 RPM, concentrações de 40, 50 e 60% (m/v) e frutos cortados em quartos. Todos os experimentos foram conduzidos a 40 C. Determinou-se a difusividade efetiva da água através do uso da solução analítica da Segunda Lei de Fick. O modelo de Peleg (1988) foi utilizado para encontrar a umidade de equilíbrio. O aumento da agitação e da concentração de sacarose provocaram, de modo geral, aumento na difusividade mássica efetiva da água, cujos valores variaram entre 3,49-7, m².s -1. Palavras-chave: osmose; sacarose; camapu. ABSTRACT CUNHA, G. S., DANIELSSON, J. B., MANCINI, M. C. Study of mass transfer in osmotic dehydration of Physalis (Physalis angulata L.). In this study, it was evaluated the influence of agitation and concentration of hypertonic solution of sucrose on mass transfer mechanism during osmotic dehydration of Physalis. The agitation levels studied were set in 0, 30, and 60 RPM, as well as the concentration of 40, 50 and 60% (m / v) and fruit cut into quarters. All experiments were performed at 40 C. The effective diffusivity of water was determined through the analytical resolution of Fick s second law. Peleg s model (1988) was used to find the equilibrium moisture content. The increasing on the agitation level and the concentration of sucrose resulted, in general, in the increasing of mass diffusivity of water, whose values varied between m².s -1. Key words: osmosis; sucrose; camapu. 1 Departamento de Engenharia Química / Instituto de Tecnologia / UFRRJ. BR 465 Km 7 Seropédica, RJ CEP

2 Estudo da Transferência de Massa... INTRODUÇÃO O gênero Physalis inclui cerca de cento e vinte espécies com caracteres herbáceos que se distribuem pelas zonas temperadas do mundo, principalmente nas Américas Central e do Sul (TOMASSINI et al., 1999). A physalis angulata L. é uma fruta de conotação exótica, sobretudo pela sua aparência e preço. Cresce no Norte e Nordeste brasileiro e tem nomes populares, como bucho-de-rã, joá, camapu, saco-de-bode, mata-fome, entre outros (LORENZI et al., 2006). Nos Açores, chama-se capucho, nas comunidades japonesas recebe o nome de hosuki e na Colômbia, de uchuva. É uma fruta de sabor ácido e ao mesmo tempo adocicado. Sua cor é amarelo intenso e brilhante, encontrando-se recoberta por um par de folhas secas que lhe garante proteção. A fruta é rica em vitaminas A e C, fósforos, ferro, alcaloides e flavonoides (LORENZI et al., 2006). A physalis representa uma alternativa aos pequenos produtores rurais, pois seu cultivo caracterizase pelo baixo custo de implantação, custo de produção acessível, boa adaptação, grande exigência de mão-de-obra, possibilidade de cultivo no sistema orgânico, demanda maior do que a oferta e bom retorno econômico (POLTRONIERI, 2003). A desidratação osmótica praticamente não altera as características organolépticas e nutricionais do alimento, pois além de apresentar baixo custo, inibe o crescimento enzimático sem utilizar aditivos químicos e, por isso, tem sido utilizada por muitos pesquisadores e profissionais a fim de diminuir as perdas pós-colheita e aumentar a vida de prateleira (FALCONE & SUAZO, 1988). A desidratação osmótica não é capaz de diminuir a atividade de água de um alimento a níveis baixos. Deste modo, ela funciona como um pré-tratamento, permitindo uma secagem mais eficaz e diminuindo a demanda de energia em etapas posteriores (SERENO et al., 2000). A osmose consiste em movimentos moleculares de certos componentes de uma solução para outra menos concentrada, sendo que estes movimentos se dão por meio da membrana celular. A migração do soluto depende da seletividade e da permeabilidade do alimento, do tempo de contato e do tamanho do produto. Os principais solutos são a sacarose, o cloreto de sódio, a lactose, a frutose e a glicose (CÁNOVAS & MERCADO, 1996). Pelo sabor agradável, pelo custo baixo e por reduzir a acidez natural das frutas, a sacarose tem sido o agente de desidratação osmótica mais utilizado. A parede celular age como uma membrana semipermeável, resultando em dois fluxos de transferência de massa em contracorrente: difusão de água do alimento para a solução e difusão do soluto da solução para o alimento. Há um terceiro fluxo que corresponde à perda de solutos naturais do fruto, como açúcar, minerais e ácidos orgânicos (HENG et al., 1990). Quanto maior a perda de água e menor o ganho de sólidos, melhor será o produto final. A taxa de transferência de massa depende de fatores como temperatura, agitação, tempo de imersão, geometria do fruto e pressão (HOFMEISTER, 2003). Os efeitos da temperatura, da concentração da solução hipertônica, da agitação e do tempo de contato na desidratação osmótica vêm sendo estudados para serem utilizados em um grande número de gêneros alimentícios, tais como, a abóbora (QUINTO et al., 2004) e a maçã (ELER et al., 2009), entre outros. 198

3 CUNHA, G. dos. S.; et al. Pela análise dos resultados da desidratação osmótica em abóbora, verificam-se que as fatias submetidas ao tratamento osmótico sofreram redução da umidade inicial, constatando que tanto o tempo de imersão quanto a concentração da solução afetam a redução de umidade inicial do material (COELHO et. al., 2002). Em soluções mais concentradas, a redução de umidade é maior e mais significativa devido ao elevado gradiente de atividade de água, que é a principal força motriz para promover esse fenômeno (FEITAL et al., 2005). Peleg (1988) propôs uma equação de dois parâmetros e testou a sua precisão durante a adsorção de água do leite em pó e arroz integral. Essa equação tem sido utilizada para descrever os processos de sorção em vários alimentos. Corzo & Bracho (2006) estudaram a aplicabilidade da equação de Peleg na modelagem da transferência de massa através da desidratação osmótica de sardinhas utilizando soluções combinadas de sal e sacarose. Os coeficientes de determinação obtidos após a linearização do modelo variaram entre 0,997 e 0,999, o que significa que foi obtido um bom ajuste dos dados experimentais. A regressão linear é usada para ajustar a equação de Peleg aos dados experimentais. Os desvios entre os valores experimentais e os obtidos através do modelo são calculados através de uma equação baseada na média percentual do desvio relativo. Se o módulo de desvio da equação do erro for menor que 10%, significa que foi obtido um bom ajuste para fins práticos (LOMAURO et al., 1985). A teoria da difusão baseia-se na Lei de Fick, que expressa que o fluxo de massa por unidade de área é proporcional ao gradiente de concentração de água. Um grande número de soluções da equação de difusão foi calculado por Cranck (1975). Tais soluções aplicam-se a sólidos geometricamente simples e quando a difusividade é constante ou varia linear ou exponencialmente com a concentração de água. Entende-se como difusividade a facilidade com que a água é removida do material. Entretanto, a difusividade varia conforme mudam as condições de secagem, não sendo específica ao material, sendo assim chamada de difusividade efetiva (OLIVEIRA & PARK, 2006). Este trabalho visa a determinar a difusividade mássica efetiva da água, via estimação de parâmetros da solução analítica da Segunda Lei de Fick, além de avaliar a influência da agitação e da concentração na transferência de massa durante a desidratação osmótica de physalis. MATERIAIS E MÉTODOS Os frutos utilizados neste estudo foram physalis em embalagens de 100g e compradas em supermercados no estado do Rio de Janeiro. A seleção da matéria-prima foi feita de maneira visual 199

4 Estudo da Transferência de Massa... pela coloração amarela da fruta madura, saudável e sem a presença de fungos. O açúcar refinado utilizado foi da marca Guarani. Utilizou-se um paquímetro a fim de determinar o diâmetro médio dos frutos, que foi de 1,15 +/- 2cm. Foram utilizadas soluções hipertônicas a partir da adição de açúcar comercial refinado em um becher de 1000mL. Após preparada, a solução de sacarose foi levada à incubadora Marconi no início do processo para que fosse atingido o equilíbrio na temperatura em que os experimentos seriam realizados, reduzindo erros. Os experimentos foram realizados em triplicatas, com as frutas cortadas em quartos, sofrendo posterior tratamento osmótico a 40 C. As concentrações de solução hipertônica de sacarose foram de 40, 50 e 60% (m/v) e as agitações foram de 0, 30 e 60 RPM. As fatias de physalis foram colocadas em frascos erlenmeyer e conduzidas à incubadora, ficando completamente submersas na solução durante os tempos de 0, 30, 60, 120, 180 e 240 minutos. Após a retirada da incubadora, as amostras foram lavadas com aproximadamente 25mL de água destilada para remover os sólidos presentes em sua superfície. O excesso de água proveniente da lavagem foi retirado com papel absorvente. As amostras foram pesadas em cadinhos e levadas à estufa a 105 C para a determinação da umidade do material. Para a obtenção da umidade inicial, as fatias in natura foram conduzidas à estufa a 105 C por aproximadamente 48 horas. Após esse tempo, o material seco, juntamente com a fôrma, foi aferido em balança analítica e a umidade inicial foi calculada através da divisão entre a diferença da massa da physalis úmida e da massa da physalis seca pela massa da physalis seca. As fatias de physalis, cortadas em quartos, foram aproximadas a uma placa plana, de modo a utilizar a solução analítica proposta por Cranck (1975) da Segunda Lei de Fick da difusividade em coordenadas cartesianas, conforme a Equação 1: (1) Onde: D ef difusividade efetiva, m 2 s -1 ; Y adimensional de teor de água; X teor de água médio, kg H2O /kg ms ; X eq teor de água de equilíbrio, kg H2O /kg ms ; X o teor de água no instante inicial, kg H2O /kg ms ; i número de termos na série; t tempo, s; L comprimento característico, m. 200

5 CUNHA, G. dos. S.; et al. As condições de equilíbrio não foram alcançadas em 240 minutos de experimento. Por isso, fez-se necessário o ajuste de dados experimentais pelo modelo de Peleg (1988) para predizer os valores de concentração de água no equilíbrio, X eq e da taxa inicial de transferência de massa, N 0. O Modelo de Peleg (1988) e as relações da taxa inicial de transferência de massa e da concentração de água no equilíbrio são mostradas nas Equações 2, 3 e 4: (2) (3) (4) Nessas equações, k 1 e k 2 são parâmetros do modelo obtidos por regressão linear, x eq é a umidade no equilíbrio, x 0 é a umidade inicial, x i é a umidade em um dado instante, N 0 é a taxa inicial de transferência de massa e t é o tempo. Considerando todos os pontos experimentais, a difusividade mássica efetiva de água foi deduzida através da estimação de parâmetros pela inclinação da curva que relaciona o Número de Fourier com o tempo. Os valores do Número de Fourier foram obtidos pela Equação 1. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 1, pode-se observar os valores de umidade normalizados e em base seca ao longo do tempo. 201

6 Estudo da Transferência de Massa... Figura 1 Variação da umidade com o tempo de imersão Pela análise da figura, observa-se que em experimentos com maiores concentrações, houve um decréscimo maior de umidade. Experimentos a 50 e 60% (m/v) tiveram as maiores perdas de água. Esse fato pode estar relacionado ao aumento da difusividade mássica efetiva, já que o aumento de concentração provoca elevação no potencial de transferência de massa. Observa-se também que a agitação tem pouca influência sobre a desidratação osmótica da fruta. A Figura 2 mostra a perda de água em função do tempo: Figura 2 Variação da perda de água com o tempo de imersão Nota-se que a perda de água aumenta exponencialmente com o tempo, de acordo com o que é previsto na literatura. Utilizou-se o modelo de Peleg para determinar a umidade de equilíbrio e a taxa inicial de transferência de massa para cada experimento realizado, pois em 240 minutos não foi possível encontrá-los. As Tabelas 1 e 2 mostram os resultados obtidos com o uso do ajuste. 202

7 CUNHA, G. dos. S.; et al. Tabela 1: parâmetros do modelo de Peleg Condições Parâmetros % (m/v) RPM K 1 K 2 R ,17 216,83 0, ,89 339,30 0, ,49 236,55 0, ,93 178,71 0, ,39 66,78 0, ,99 81,25 0,99 Tabela 2: umidade de equilíbrio e taxa inicial de transferência de massa Condições Valores % (m/v) RPM X eq N 0 x ,15 4, ,47 2, ,33 4, ,48 5, ,28 14, ,50 12,3 A partir dos dados obtidos, determinou-se, via estimação de parâmetros, os valores do Número de Fourier pela Equação 1. O gráfico que relaciona o Número de Fourier com o tempo é mostrado na Figura 3: 0,80 0,70 0,60 Fo 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20 40% e 0RPM 40% e 30RPM 40% e 60RPM 50% e 0RPM 50% e 30RPM 60% e 0RPM Tempo (min) Figura 3 Número de Fourier em função do tempo Pela figura acima, pode-se afirmar que nas condições estudadas, a difusividade mássica efetiva da água não depende do tempo. As retas obtidas têm praticamente a mesma inclinação durante todo o tempo. Os valores da difusividade mássica efetiva da água puderam ser determinados a partir da inclinação das curvas que relacionam o Número de Fourier com o tempo multiplicados pelo comprimento da placa ao quadrado. Esses valores são mostrados nas Tabelas 3 e 4, que enfatizam a influência da agitação e da concentração no processo. 203

8 Estudo da Transferência de Massa... Tabela 3: difusividade efetiva da água a 40% (m/v) - influência da agitação RPM R 2 D e x 10 8 (m 2 s -1 ) 0 0,994 3, ,993 3, ,993 3,91 Tabela 4: difusividade efetiva da água a 0 RPM - influência da concentração % (m/v) R 2 D e x 10 8 (m 2 s 1 ) 40 0,994 3, ,985 5, ,967 7,75 Nas tabelas acima pode-se observar que a concentração exerce grande influência sobre a difusividade mássica efetiva da água nos casos estudados. Quanto maior a concentração, maior a difusividade. A agitação também provoca aumento na difusividade, porém seu efeito é menor. CONCLUSÕES Na faixa estudada, a difusividade mássica efetiva da água aumenta com a elevação da concentração e da agitação. Entretanto, a agitação exerce menor influência, pois mantendo-se uma concentração e variando-se as agitações, os valores de difusividade obtidos foram próximos. O modelo de difusão baseado na Segunda Lei de Fick é adequado para predizer a difusividade mássica efetiva da água em physalis a 40 C, que estiveram entre 3,49 e 7, m²s -1. REFERÊNCIAS CÁNOVAS, G.V. AND VEGA-MERCADO, H., Dehydration of Foods. Chapman & Hall, New York, 1996, p COELHO, A. D.; LEAL, A. B.; RISTESKI, H.; LEITE, J.B. & MANCINI, M. C. Avaliação da produção de fatias de abóbora (Curcubita moschata, L.). Desidratação utilizando uma combinação das técnicas de desidratação osmótica e secagem convectiva. Anais do XXX Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, São Carlos, vol. 30, p CORZO, O. & BRACHO, N. Aplication of Peleg model to study mass transfer during osmotic dehydration of sardine sheets. Journal of Food Engineering, Vol. 75, p CRANCK, J. The mathematics of diffusion. 2 nd. Ed. Oxford: Clarendon Press, 1975, p ELER, F. M.; SALVATO, A. M.; MANCINI, M. C. Estudo da desidratação osmótica de fatias de maçã verde. Anais do XXXIV Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, CD-ROM, Campinas SP,

9 CUNHA, G. dos. S.; et al. FALCONE, M.A.; SUAZO, V.A.T. Desidratação osmótica do abacaxi (Ananas comosus L.). Parte I. Boletim Informativo da Sociedade Brasileira de Ciência e Tecnologia de Alimentos, Florianópolis, vol. 22, n.1-2, p FEITAL, T.S.; DUTRA, J. C. S.; SANTOS, F. S.; QUINTO, T. C.; BARBOSA, A. L. S. & MANCINI, M. C.. Análise das condições experimentais na desidratação osmótica de fatias de abóbora combinada com secagem convectiva. Anais do XXX Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados. São Carlos, Vol. 30, p HENG, K.; GUILBERT, S.; CUQ, J. L. Osmotic dehydration of papaya: Influence on the product quality. Science des Aliments, Vol. 10, p HOFMEISTER, L. C. Estudo da impregnação a vácuo em alimentos porosos. Dissertação de Mestrado Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2003, p. 75. LOMAURO, C.J.; BAKSHI, A. S.; LABUZA, T. P. Evaluation of food moisture sorption isotherm equation. Part I: fruit, vegetable and meat products. Lebens. Wissen. Tech. (LWT), vol. 18, no. 2, p LORENZI, H.; BACKER, L.; LACERDA, M.; SARTORI, S. Frutas brasileiras e exóticas cultivadas de consumo in natura. Instituto Plantariun de Estudos da Flora Ltda, p. 312, 2006 OLIVEIRA, R. A. DE; OLIVEIRA, W. P. DE; PARK, K. J. Determinação da Difusividade Efetiva de Raiz de Chicória. Eng. Agrícola., Jaboticabal, vol.26, n.1, p , PELEG, M Na empirical-model for the description of moisture sorption curves. J. Food Science, vol. 53, n. 4, p , POLTRONIERI, E. Alternativas para o mercado interno de pequenas frutas. In: Seminário Brasileiro sobre Pequenas Frutas, vol. 1, Vacaria. Anais... Bento Gonçalves: Embrapa Uva e Vinho, p QUINTO, T. C.; DUTRA, J. C. S.; FEITAL, T. S.; VIEIRA, F. B.; SANTOS, F. S.; CALÇADA, L. M.; BARBOSA, A. S.; MANCINI, M. C. Avaliação das condições operacionais na desidratação osmótica de fatias de chuchu e de abóbora. Revista Universidade Rural, vol.1, n.1, p , SERENO, A. M.; MOREIRA, R.; MARTINEZ, E Mass transfer coefficients during osmotic dehydration of Apple in single and combined aqueous solutions of sugar and salt. Journal of Food Engineering. Vol. 47, p , TOMASSINI, T. C. B.; BARBI, N. S.; RIBEIRO, I. M.; XAVIER, D. C. D., Gênero Physalis Uma revisão sobre vitaesteroides. Química Nova, Vol. 23, n.1, p ,