SECAGEM DE CENOURA EM SECADOR DE LEITO FIXO E ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO BRANQUEAMENTO NO ENCOLHIMENTO

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1 SECAGEM DE CENOURA EM SECADOR DE LEITO FIXO E ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO BRANQUEAMENTO NO ENCOLHIMENTO K. ANDREOLA 1, L. G. TOLEDO 1, R. G. COSTA 1, A. MARSAIOLI Jr 1 e O. P. TARANTO 1. Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química para contato: kaci_andreola@hotmail.com RESUMO A cenoura é um vegetal nutritivo, rico em carotenóides e com quantidades significativas de vitaminas e minerais, sendo de evidente interesse para a indústria processadora de alimentos desidratados. A secagem é um processo que visa à preservação do alimento, contudo pode ocasionar encolhimento, influenciando na qualidade final do produto. Nesse contexto, o presente trabalho realizou um estudo da secagem de cenoura, em secador de leito fixo, com o objetivo de verificar a influência da temperatura, velocidade do ar e branqueamento no encolhimento do produto. Analisaram-se diferentes condições de temperatura (60 e 80 C), velocidades do ar de secagem (0,6 e 0,75 m/s) e presença ou ausência de branqueamento. Constatou-se que o branqueamento influenciou significativamente o encolhimento, sendo obtido maior encolhimento para as amostras branqueadas. As curvas de secagem demonstraram que o período de taxa decrescente para a cenoura é predominante. Modelos matemáticos para as cenouras branqueadas foram propostos, sendo que obteve-se um ajuste satisfatório do modelo linear. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos o consumo de alimentos desidratados, principalmente de frutas e hortaliças, tem apresentado um aumento significativo na demanda de mercado. Dessa maneira, o aprimoramento dos processos de secagem tem despertado interesse nos setores das indústrias alimentícias. Vegetais desidratados são comumente empregados na formulação de produtos industrializados, pelo fato de agregarem maior valor nutricional a esses produtos. Dentre esses vegetais, a cenoura se destaca por apresentar elevados teores de carotenóides, além de possuir quantidades consideráveis de vitaminas e minerais, que a tornam uma hortaliça altamente nutritiva. A cenoura na forma desidratada vem sendo utilizada como matéria prima para indústrias processadoras de alimentos, na formulação de sopas instantâneas, alimentos infantis, purês, massas, snacks e suplementos alimentares (EMBRAPA, 2011). A secagem é tradicionalmente definida como uma operação unitária que converte um material sólido, semi-sólido ou líquido em um produto sólido de menor teor de umidade (BAKER, 1997). Sendo, portanto, um método de conservação que garante ao produto maior

2 vida de prateleira, facilidades no transporte e armazenamento, além de proporcionar a disponibilidade do produto durante todo o ano. Segundo Brooker et al. (1974) o emprego de secadores de leito fixo na secagem de materiais é bastante difundido, devido à simplicidade no projeto e operação, acarretando baixos custos de implantação e manutenção. A maioria dos processos de secagem requer a realização de pré-tratamentos que têm como objetivo melhorar a qualidade do produto e sua estabilidade durante o armazenamento. Segundo Rahman & Perera (2007) o branqueamento é um tratamento térmico que visa a inativação de enzimas presentes naturalmente nos alimentos, responsáveis por reações de deterioração. A ocorrência do fenômeno de encolhimento durante a secagem da maioria dos produtos alimentícios é um fato, e de acordo com Van Arsdel (1973) durante a secagem ocorrem mudanças no tecido celular do material em decorrência do encolhimento, acarretando deformações no produto seco e limitação da remoção de umidade. Logo, o estudo do encolhimento é relevante para obter-se um melhor entendimento da secagem, sendo preferível obter um menor encolhimento e deformações menos acentuadas, buscando manter a similaridade com o produto in natura e a qualidade do produto final. No presente trabalho, foi realizado o estudo da secagem de cenoura em secador de leito fixo, com o objetivo de comparar a secagem com ausência e presença de branqueamento e verificar a influência da temperatura, velocidade do ar e branqueamento no encolhimento do produto. Foi obtida também uma relação entre o encolhimento e a umidade adimensional para as amostras branqueadas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Material A matéria-prima utilizada para a secagem foi a cenoura (Daucus Carota L.), variedade Nantes. As amostras foram adquiridas na Central de Abastecimento (CEASA), da cidade de Campinas-SP. Na aquisição, foi considerada a procedência de material sempre do mesmo lote, a fim de reduzir a sua variabilidade Sistema experimental O equipamento utilizado para a realização dos experimentos de secagem consiste em um secador de leito fixo com câmara cilíndrica, construída em chapa de ferro, com diâmetro interno de 0,16 m e altura de 0,70 m, aberto na extremidade superior. A câmara é dotada de aberturas, nas quais são acopladas três bandejas constituídas de tela de aço inoxidável, com abertura de 0,001 m. As bandejas permanecem apoiadas em segmentos tronco-cônicos com diâmetro interno de 0,14 m, dispostos na posição horizontal. Neste trabalho, utilizou-se apenas a bandeja localizada na parte central da câmara. O escoamento do ar de secagem é perpendicular ao leito de material e seu fornecimento foi promovido por um compressor radial (CRE02, 0,75cv). A temperatura do ar na câmara foi mantida por um aquecedor elétrico, composto por um conjunto de resistências e controlada

3 por um regulador (Novus, N ). A vazão do ar foi determinada por uma placa de orifício de 0,02 m de diâmetro interno, para isso a queda de pressão na placa de orifício e a pressão a montante da placa foram obtidas por manômetros diferenciais de tubo em U. Uma válvula globo foi utilizada para regular a vazão do ar alimentado no secador. A Figura 1 apresenta o sistema experimental. Figura 1 - Esquema do sistema experimental (modificado de CAVALCANTE, 2003) Procedimento experimental Preparação das amostras: As cenouras foram selecionadas avaliando-se visualmente a qualidade do material. Após a seleção, o material foi armazenado em refrigerador a 5 ± 1 C, sendo que, para a utilização, as amostras foram mantidas à temperatura ambiente, por aproximadamente 10 minutos. Posteriormente, foram lavadas em água corrente, descascadas e cortadas em cubos uniformes de 10 mm 3, com o auxílio de um cortador de legumes (Vitalex, médio). Em seguida, as amostras foram submetidas ao branqueamento que consistiu na imersão em água a temperatura de 95 C por 4 minutos (BARBOSA, 1980; PINEDO, 2003), seguido de resfriamento rápido em água corrente. Posteriormente, a massa das amostras foi mensurada em balança semi-analítica (Marte, AL500) de precisão 0,01g. Efetuaram-se três medidas de dimensões em cinco cubos, escolhidos aleatoriamente a cada pesagem, com auxílio de paquímetro digital (Mitutoyo, 150mm), a fim de analisar o volume relativo das amostras. Optou-se por realizar as medidas de dimensão em cinco cubos, pois foram efetuados testes anteriores com vinte cubos e não houve estatisticamente diferença entre os valores encontrados. Logo após, as amostras foram colocadas na bandeja em monocamada, correspondente a massa de 145 gramas, e o conjunto (bandeja/amostras) foi inserido no secador. Secagem convectiva: As amostras de cenoura in natura apresentaram umidade inicial na ordem de 90 % b.u. Os experimentos foram realizados em duplicata, seguindo uma matriz de planejamento fatorial de dois níveis, sendo que os ensaios foram realizados de forma aleatória e as variáveis de entrada foram: temperatura (60 e 80 C), velocidade do ar (0,6 e 0,75 ms -1 ), presença e ausência de branqueamento, codificadas como X 1, X 2 e X 3, respectivamente. A variável de resposta foi o encolhimento (V F /V 0 ), conforme demonstrado na Tabela 1.

4 Tabela 1: Variáveis independentes e níveis Variáveis de entrada Unidade Notação Níveis Temperatura ºC X Velocidade ms -1 X 2 0,6 0,75 Branqueamento - X 3 AB PB AB = ausência de branqueamento; PB = presença de branqueamento. A redução do teor de água das amostras foi monitorada por gravimetria. Durante os primeiros 30 minutos, pesava-se a bandeja em intervalos de 5 minutos, depois até 1 hora o intervalo passou a ser de 10 minutos. Após o intervalo foi de 20 minutos e em seguida de 30 minutos até peso constante. A massa de sólido seco foi determinada em estufa a 105 ± 3 C, conforme metodologia da AOAC (1995). Análise estatística: A análise estatística da variável de resposta (encolhimento) da cenoura foi realizada com auxilio do software Statistica 8.0, considerando o nível de significância α=0,05 (confiança 95%), por meio da metodologia de superfície resposta utilizando o planejamento fatorial 2 3 em duplicata. Cinética de secagem: Dispondo-se dos dados obtidos nas corridas experimentais foram determinadas as curvas de secagem, através da razão de umidade em função do tempo. As curvas de taxa de secagem foram obtidas a partir da derivação das respectivas curvas de secagem, com auxílio de software Origin 8.0. Estudo do encolhimento: O estudo do encolhimento foi realizado utilizando paquímetro digital, sendo que as medidas foram tomadas em três dimensões de cinco cubos aleatórios a cada pesagem. Em todos os experimentos calculou-se um volume relativo (V/V 0 ). Com isso, comparações do encolhimento para as amostras com e sem branqueamento foram realizadas. Para as amostras branqueadas, foi ajustado um modelo para a variação do volume (V/V 0 ) em função do adimensional de umidade. Foi testado o ajuste de três diferentes modelos para o volume relativo da partícula, conforme a Tabela 2, com o auxilio do software Statistica RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 2: Modelos testados para o encolhimento Modelo Função Linear V/V 0 = A (X/X 0 ) + B Exponencial V/V 0 = A e B(X/X0) Logarítmico V/V 0 = A ln(x/x 0 ) + B 3.1 Secagem de cenoura em leito fixo A secagem da cenoura em leito fixo foi realizada seguindo a matriz de experimentos apresentada na Tabela 3, onde constam as variáveis de entrada codificadas e originais, e a

5 resposta encolhimento. Na tabela pode ser observado que dentro do domínio experimental escolhido o encolhimento da cenoura variou de 0,0214 a 0,2991. Experimentos Tabela 3: Matriz de experimentos da secagem de cenoura em leito fixo Variáveis codificadas Variáveis originais Variável resposta X 1 X 2 X 3 T v B V F /V 0 V F /V ,6 AB 0,2252 0, ,6 AB 0,2174 0, ,75 AB 0,2365 0, ,75 AB 0,2204 0, ,6 PB 0,0214 0, ,6 PB 0,0738 0, ,75 PB 0,0347 0, ,75 PB 0,0554 0,0739 X 1, T: Temperatura do ar de secagem, o C; X 2, v: velocidade do ar de secagem,m/s; X 3, B: branqueamento da amostra; V/V 0 : coeficiente de encolhimento; AB: ausência de branqueamento; PB: presença de branqueamento. As curvas de secagem e de taxa de secagem obtidas em cada experimento estão ilustradas nas Figuras 2 e 3, sobrepostas para uma mesma velocidade do ar. Verifica-se que o período de taxa decrescente é predominante na secagem da cenoura. A partir da análise dos gráficos, observa-se que o aumento da velocidade e da temperatura do ar aumentou a taxa de secagem, sendo que o aumento da temperatura proporcionou um aumento mais significativo. A presença ou ausência de branqueamento não foi significativa na taxa de secagem dentro das condições experimentais estudadas. Ao contrário dos resultados encontrados por (Górnicki e Kaleta, 2007; Zielinska e Markowski, 2007; Pinedo, 2003), nesses estudos a aplicação do branqueamento em cenoura proporcionou menor tempo de processo e aumento da taxa de secagem. Figura 2 Curvas de secagem.

6 Figura 3 Curvas de taxa de secagem. Análise estatística: A análise de variância (ANOVA) consiste em uma análise do efeito das variáveis de entrada sobre a resposta encolhimento, sendo que a partir da análise da estatística p é possível verificar a probabilidade que cada variável possui de estar dentro da região de aceitação de hipótese nula, ou seja, efeitos considerados estatisticamente não significativos. Na Tabela 4 consta a ANOVA, onde é possível analisar que para a variável resposta V/V 0, a 95% de confiança, apenas o branqueamento e sua interação com a temperatura apresentaram significância estatística. Mitrevski e Popovski (2010) estudaram o encolhimento de cenoura e banana durante a secagem convectiva e observaram que para a cenoura as influências das variáveis temperatura e velocidade do ar não foram significativas no volume relativo do material. Tabela 4: Análise de variância para a variável de resposta V F /V 0 Efeitos SQ GL Qm F p X 1 0, ,0002 0,5040 0,4979 X 2 0, ,0019 3,7995 0,0871 X 3 0, , ,7028 0,0000 X 1 X 2 0, ,0022 4,4084 0,0689 X 1 X 3 0, ,0031 6,3360 0,0359 X 2 X 3 0, ,0008 1,6299 0,2375 FAj 0, ,0005 1,0163 0,3429 EP 0, ,0005 SQT 0, SQ: soma dos quadrados; GL: graus de liberdade; Qm: quadrado médio; FAj: Falta de ajuste; EP: erro puro, SQT: soma quadrática total; X 1 : temperatura X 2 : velocidade do ar e X 3 : branqueamento. O coeficiente de determinação obtido para a resposta V F /V 0 foi de R 2 = 96,68 % e o modelo polinomial proposto consta na Equação 1. VF /V.X 0 = 0, ,0039.X 1 + 0,0108.X 2 0,0868.X 3 0,0116.X 1.X 2 + 0,0139.X 1.X 3 0,0071.X 2 3 (1)

7 Esse modelo foi considerado adequado para predizer a secagem, pois na comparação dos valores observados com os valores preditos pelo modelo, verificou-se que os componentes do erro do modelo proposto seguem uma distribuição aproximadamente normal, visto que os pontos encontram-se muito próximos ao longo de uma reta, e os resíduos foram baixos, seguindo uma distribuição aleatória conforme mostra a Figura 4. Valores preditos 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Resíduos 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03-0,04-0,05-0,05-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Valores observados Valores observados Figura 4 Gráfico de probabilidade normal dos resíduos e gráfico de distribuição para V F /V 0. A partir do modelo proposto foi gerado um gráfico (Figura 5) de V F /V 0 em função de X 1 (temperatura), para a avaliação do efeito do branqueamento sobre o encolhimento da amostra. Verificou-se que na ausência de branqueamento (AB) o coeficiente V F /V 0 é muito maior comparado com a presença de branqueamento (PB), indicando maior encolhimento nas amostras de cenouras branqueadas. Observa-se também pequeno efeito da temperatura, sendo que na PB o aumento de temperatura de -1 para +1, proporciona baixa inclinação da curva, contudo para AB a mudança de temperatura exerce um efeito maior, indicando que na menor temperatura (-1) o encolhimento é menor. Para a ausência de branqueamento, a inclinação da reta foi negativa, por outro lado na presença de branqueamento a inclinação da reta apresentou comportamento positivo. O fato de as curvas não apresentarem inclinações paralelas demonstra que existe influencia significativa do efeito cruzado da temperatura com o branqueamento. Neste caso, como uma inclinação foi positiva e outra negativa demonstra-se que o efeito cruzado apresenta maior influência do que somente o efeito da temperatura. Figura 5 Gráfico de V F /V 0 em função de X 1 (temperatura), com X 2 = +1.

8 Portanto, dentro do domínio experimental estudado, a melhor condição para obter um menor encolhimento da cenoura durante a sua secagem em leito fixo, é temperatura de 60 ºC, velocidade do ar de secagem de 0,75 m/s e ausência de branqueamento. 3.1 Análise do encolhimento Os volumes relativos finais para cada experimento, com seus respectivos intervalos de confiança estão demonstrados na Tabela 5. O desvio padrão foi estimado utilizando as cinco medidas feitas pelo paquímetro em cada experimento. Calculou-se o desvio padrão da razão, sendo o intervalo calculado com 95% de confiança. Tabela 5: Intervalo do volume relativo final dos ensaios Ensaio V F /V 0 AB PB 60_0,6 0,23 ± 0,1 0,021 ± 0,01 80_0,6 0,22 ± 0,1 0,074 ± 0,03 60_0,75 0,24 ±0,1 0,035 ± 0,02 80_0,75 0,22 ± 0,1 0,055 ± 0,02 AB: ausência de branqueamento; PB: presença de branqueamento. Verifica-se que ocorreu maior encolhimento para as amostras submetidas ao branqueamento. Não foi constatada uma relação do encolhimento final com a temperatura e a velocidade do ar de secagem. Os modelos foram ajustados para as temperaturas testadas. Com base nos dados experimentais foram obtidos os parâmetros dos modelos e seus respectivos coeficientes de regressão (R 2 ), que são apresentados sintetizados na Tabela 6. Para a realização da regressão, foi utilizado o método de Quasi-Newton, cujos cálculos foram realizados pelo programa Statistica 8.0. Tabela 6: Parâmetros e coeficientes de regressão dos modelos Modelo A B R 2 Linear 0,9557 0,0098 0,9207 Exponencial 0,0712 3,0605 0,795 Logarítmico 0,2389 0,6824 0,6963 É possível analisar que o coeficiente de regressão do modelo linear obteve maior valor dentre os três modelos previamente propostos, indicando que este modelo é o que melhor ajusta a variação em (V/V 0 ) na secagem com branqueamento, dentro dos limites experimentais estudados. A Figura 6 apresenta a variação do volume em função do teor de umidade adimensional da cenoura e seus respectivos dados de volume relativo experimental e previstos para o modelo linear. O ajuste satisfatório do modelo linear em relação ao exponencial está de acordo com o previsto por Mayor e Sereno (2004), cujo desvio relativo médio entre os dados experimentais e os valores previstos do encolhimento volumétrico para a cenoura sem branqueamento, é menor para o modelo linear (1,2 %) do que para o exponencial (19,0%).

9 Figura 6 - Volume em função do teor de umidade e regressão linear. Como pode ser observado na literatura, o modelo linear é considerado adequado para descrever o encolhimento de vegetais durante a secagem convectiva sem branqueamento (Frías et al., 2010; Wang e Brennan, 1995; Talla et al., 2004; Hatamipour e Mowla, 2002), que estudaram o encolhimento de batata, banana e cenoura. O encolhimento volumétrico da cenoura branqueada durante a secagem apresentou comportamento linear com o teor de umidade do produto, da mesma maneira que os resultados obtidos por Górnicki e Kaleta (2007) que obtiveram um bom ajuste do modelo linear para cenouras branqueadas em três condições, durante 3 minutos em solução de salmoura em ebulição e durante 3 e 6 minutos em água em ebulição. Portanto, analisa-se que a variação volumétrica de cenouras branqueadas durante a secagem, apresenta o mesmo comportamento de cenouras não branqueadas. 5. CONCLUSÃO Constatou-se que na secagem de cubos de cenoura em leito fixo, dentro do domínio experimental escolhido, a variável branqueamento e sua interação com a temperatura apresentou significância estatística. Sendo a melhor condição para obter-se menor encolhimento durante a secagem, com temperatura de 60 ºC, velocidade do ar de secagem de 0,75 m/s e ausência de branqueamento. Verificou-se que o período de taxa decrescente é predominante na secagem da cenoura. A presença ou ausência de branqueamento não apresentou significância na taxa de secagem dentro das condições experimentais estudadas, porém o aumento da temperatura do ar de secagem proporcionou maior taxa de secagem, tanto para as amostras branqueadas quanto para as não branqueadas. Observou-se maior encolhimento para as amostras submetidas ao pré-tratamento de branqueamento. Sendo que o modelo linear foi o que melhor ajustou o encolhimento volumétrico da cenoura branqueada durante a secagem.

10 6. REFERÊNCIAS AOAC. Official Methods of Analysis, 16th Ed. Washington: Association of Official Analytical Chemists Inc., BARBOSA, W.C. Estudo do melhoramento da qualidade de cenoura (Daucus carota L.), desidratada através do processo de tratamento com solutos f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Alimentos) - Universidade Estadual de Campinas, Campinas, BAKER, C. Industrial drying of foods. London: Chapman & Hall, p. BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. Drying Cereal Grains. Westport: The AVI Publishing Company, 1982, 265p. CAVALCANTE, J.A. Análise experimental da cinética de alga marinha Sargassum sp f. Tese (Doutorado em Engenharia de Química) Universidade Estadual de Campinas, Campinas, EMBRAPA. Cultivo de Cenoura. Disponível em: Acesso em: 17/08/2011. FRÍAS, A.; Clemente, G.; Benedito J. J.; Bon J.; Mulet A. Shrinkage effect on modelling potato cubes drying. 17th International Drying Symposium, Magdeburg, Germany, 3-6 Outubro, 2010, Anais do Congresso. GÓRNICKI, K.; KALETA, A. Drying curve modelling of blanched carrot cubes under natural convection condition. J. Food Eng., vol. 82, p , HATAMIPOUR, M. S.; MOWLA, D. Shrinkage of carrots during in an inert medium fluidized bed. J. Food Eng., vol. 55, p , MAYOR, L.; SERENO, A.M. Modelling shrinkage during convective drying of food materials: a review. J. Food Eng., vol. 61, p , MITREVSKI, V.; POPOVSKI, D. Modeling of shrinkage during drying. 17th International Drying Symposium, Magdeburg, Germany, 3-6 Outubro, 2010, Anais do Congresso. PINEDO, A. A. Secagem a vácuo de cenoura (Daucus carota) e abóbora (Cucurbita máxima): Estudo das características do processo f. Tese (Doutorado em Engenharia de Alimentos) Universidade Estadual de Campinas, Campinas, RAHMAN, M. S.; PERERA C.O. Drying and food preservation. In:. RAHMAN, M. S. Handbook of Food Preservation. 2ed.Boca Raton: CRC Press, cap. 18, p TALLA, A.; Puiggali J.R.; Jomaa W.; Jannot Y. Shrinkage and density evolution during drying tropical fruits: application to banana. J. Food Eng., vol. 64, p , VAN ARSDEL, W.B.; COPLEY, M.J.; MORGAN, A.I. Drying phenomena. In:. Food dehydration: drying methods and phenomena. Westport: Avi Publishing Company, cap.22, p WANG, N.; BRENNAN, J.G. Changes in structure, density and porosity potato during dehydration. J. Food Eng., vol. 24, p , ZIELINSKA, M.; MARKOWSKI, M. Drying behavior of carrots dried in a spout- fluidized bed dryer. Dry Technol, vol. 25, p , 2007.