CINÉTICA DA PRODUÇÃO DO FERMENTADO DO FRUTO DO MANDACARU

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1 ISSN CINÉTICA DA PRODUÇÃO DO FERMENTADO DO FRUTO DO MANDACARU Mércia Melo de Almeida 1, Daniela Passos Simões de Almeida Tavares 2, Líbia de Sousa Conrado Oliveira 3, Flávio Luiz Honorato da Silva 3 RESUMO O mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) é um fruto típico da região semi-árida do Nordeste brasileiro. A produção de fermentado (vinho) de mandacaru é uma forma de minimizar as perdas pós-colheita desses frutos. Tendo em vista que o fruto apresenta características químicas adequadas para a produção de etanol, observou-se a necessidade de fazer um estudo cinético da fermentação alcoólica na produção da bebida fermentada. O fermentado de mandacaru foi produzido em reator batelada (duplicata), na temperatura de 30 ± 2ºC. Os parâmetros cinéticos obtidos foram: Y P/S, rendimento e produtividade de 0,461, 90,2 % e 1,75 g/l.h, respectivamente. Os resultados das análises físico-químicas: açúcar residual, acidez total, ºGL (%v/v) e ph do fermentado mostraram que seus valores estão de acordo com a legislação brasileira acerca de vinho de frutas. Palavras-chave: Cereus jamacaru, vinho, fermentação alcoólica, caracterização físico-química KINETICS OF MANDACARU FRUIT WINE PRODUCTION ABSTRACT Cereus jamacaru P. DC. is a typical fruit of Northeast Brazilian region. The production of mandacaru wine is a way to minimize the post-harvest fruits losses. From the point of view that the fruit presents adequate chemical characteristics for the ethanol production, the necessity to make a kinetic study of the alcoholic fermentation in the production of the wine was observed. The wine was produced in a stirred batch reactor, at the temperature of 30 ± 2 ºC. The following kinetic parameters were obtained: Y P/S, yield and the productivity were 0.461, 90.2% and 1.75 g/lh respectively. The results of physical-chemical analyses: residual sugars, total acidity, ºGL (%v/v) and ph of wine showed that their valeus were within the standard limits established by the Brazilian legislation for fruit wines. Keywords: Cereus jamacaru, wine, alcoholic fermentation, physical-chemical characterization INTRODUÇÃO O mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) é uma cactácea típica da região Nordeste do Brasil (Caatinga). De acordo com Rocha & Agra (2002), o tamanho do fruto varia de x 5-9 cm, ovóide, sucosa; epicarpos glabros, róseos a vermelho; polpa funicular, mucilaginosa, branca; sementes pretas variando de 1,5 2,5 mm de comprimento. Estudos realizados por (2005) verificaram que esta fruta apresenta grande potencial de aproveitamento industrial, por apresentar teores relativamente elevados de sólidos solúveis totais (SST) e açúcares redutores (AR), constituintes importantes em processos biotecnológicos (p.ex. fermentação alcoólica). Protocolo 862 de 12/06/ Aluna de Doutorado em Engenharia de Processos, UFCG, [email protected] 2 Aluna de Graduação em Engenharia Química, UFPB, [email protected] 3 Professores Dr. do Departamento de Engenharia Química, UFCG, Av. Aprígio Veloso 882 CEP , Campina Grande, Paraíba, E- mail: [email protected] e [email protected]

2 36 Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru Não há relatos de aproveitamento desses frutos, ocorrendo assim, grande desperdício dos mesmos em sua safra (fevereiro a setembro). Araújo & Silva (1995) comentam que os índices de perdas pós-colheita são preocupantes e refletem negativamente na economia de algumas regiões do Brasil, e ainda acrescentam que cerca de 50% da produção de frutos tropicais não são aproveitados. Portanto, a aplicação de processos biotecnológicos na produção de fermentado (vinho) do fruto de mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) é uma forma alternativa de minimizar essas perdas, e tem como finalidade principal reduzir o desperdício do fruto através de um aproveitamento racional, uma vez que não se encontram na literatura estudos com este propósito. De acordo com a legislação brasileira (Brasil, 1997; Torres Neto et al., 2006), o fermentado de fruta é uma bebida com graduação alcoólica de quatro a quatorze por cento em volume, a vinte graus Celsius, obtida da fermentação alcoólica do mosto de fruta sã, fresca e madura. Pelo fato do mandacaru apresentar características químicas adequadas para a produção de etanol, surgiu à necessidade de fazer um estudo cinético da fermentação alcoólica dessa produção. A análise de componentes como etanol, acidez total, açúcares residuais e ph são de vital importância para verificar se as características do produto estão dentro das especificações estabelecidas pela legislação brasileira (Garruti, 2001). De acordo com a legislação brasileira (BRASIL, 1997), a concentração máxima de metanol permitida nos vinhos de mesa é de 0,5 g/100ml de álcool anidro, visto que o metanol é tóxico aos seres humanos, e pode provocar, quando consumido com concentrações acima do permitido, a queda do ph do sangue do consumidor afetando o sistema respiratório, e conseqüentemente levar a cegueira e/ou até a morte. Os vinhos ou fermentados de frutas são divididos em três classes no que se refere à quantidade de açúcares residuais. A primeira classe apresenta os vinhos do tipo seco, com até 5 g/l de açúcares totais, a segunda entre 5,1 e 20 g/l são do tipo meio seco e a terceira e última é a classe dos vinhos suaves ou doces com mais de 20,1 g/l (Rizzon et al., 1994). A acidez total expressa em ácido acético, é a acidez titulável que determina a quantidade das funções ácidas livres presentes no suco ou no vinho, e é a soma da acidez volátil e acidez fixa. A legislação brasileira (BRASIL, 1997) exige que, para os fermentados de frutas, os teores de acidez total estejam compreendidos na faixa de 3,3 a 7,8g/L (55 a 130 meq/l). O ácido acético é o principal ácido orgânico excretado no meio em fermentação, sendo expresso em acidez volátil (Rizzon, 1994). Geralmente, o fermentado de fruta apresenta ph variando entre 3,0 e 4,0. A análise de ph facilita na avaliação da resistência do produto à infecção bacteriana. O ph igual a 3,4 é o ideal para que o produto aumente a resistência às infecções (Hashizume, 2001). Este trabalho teve o objetivo de realizar o estudo cinético da fermentação alcoólica na produção do fermentado de fruto do mandacaru. MATERIAIS E MÉTODOS Matéria-prima e caracterização Os frutos do mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) foram provenientes de plantações extensivas localizadas às margens da BR-104 que dá acesso a cidade de Queimadas, a 19Km de Campina Grande. Foram utilizados frutos no estádio maduro, onde passaram por uma seleção visando eliminar os frutos defeituosos e machucados, para não comprometer o processo fermentativo. Os frutos foram imersos em água clorada na concentração de 20ppm durante 15 minutos, e em seguida foi feita uma nova lavagem em água corrente visando eliminar os resíduos de cloro. Depois de cortados, a polpa e as sementes foram separadas por meio de filtragem em tecido de algodão bastante limpo, obtendo-se a polpa livre de fibras e sementes. Após a filtragem, a polpa foi acondicionada em sacos plásticos e estocados a -18 C. Para a caracterização e preparo do mosto, a polpa foi descongelada e caracterizada (em triplicata), quanto ao teor de açúcares redutores totais, pelo método de DNS (ácido 3,5-dinitro salicílico), segundo Miller modificado (1959); Umidade, cinzas, ph, sólidos solúveis totais ( Brix) e acidez titulável segundo as metodologias descritas pelas Normas do Instituto Adolfo Lutz (1985). Etapas da elaboração da bebida fermentada Clarificação e filtração do suco Após o descongelamento da polpa, fez-se a clarificação da mesma com solução de gelatina a 10% (comercial, incolor e inodora),

3 Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru numa proporção de 10 ml/litro de suco, adicionando-a ao suco e homogeneizando. Em seguida, o mosto foi colocado em geladeira por um período de 12 horas. Posteriormente, fez-se uma nova filtração através de tecidos de algodão, obtendo-se um mosto clarificado e com um aspecto mais límpido. A clarificação consiste na remoção da pectina que é um polissacarídeo presente em vários frutos de origem tropical, que durante o processo fermentativo pode dar origem ao metanol que é uma substância altamente tóxica. 37 até que o Brix chegasse próximo de zero. Posteriormente, adicionaram-se os 70g/L restantes de sacarose (segunda chaptalização) iniciando a segunda etapa da fermentação, fazendo-se novamente o controle de todas as variáveis observadas na primeira etapa até que o valor do Brix ficasse constante. A finalidade de produzir um fermentado do tipo seco é pelo fato de sua utilização posteriormente na produção de vinagre (fermentação acética). Trasfega, engarrafamento e pasteurização Sulfitação Utilizou-se o metabissulfito de potássio (K 2 S 2 O 5 ), numa concentração de 3 gramas para cada 10 litros de suco clarificado, tendo a finalidade de fazer a desinfecção do suco e conseqüentemente evitar a proliferação de microrganismos indesejáveis. Chaptalização A chaptalização, com uma concentração de 100g de sacarose/l de suco, foi dividida em duas etapas: 30g/L no início da fermentação e 70g/L na segunda etapa. Consiste em adicionar sacarose ao mosto para atingir uma graduação alcoólica desejada. Microrganismo utilizado O microrganismo utilizado no processo fermentativo foi a levedura Saccharomyces cerevisiae (fermento biológico comercial, marca Fleischmann, 70% de umidade), onde foi adicionado inicialmente ao mosto uma concentração de 3 g/l (massa seca). Fermentação alcoólica Terminada a preparação do mosto, iniciou-se a primeira etapa da fermentação alcoólica que foi conduzida em reator batelada, em duas repetições, em recipientes de plástico com capacidade de 10L. O volume de mosto a fermentar foi de 5 litros, a temperatura de 30 ± 2ºC. Durante a primeira fase da fermentação alcoólica realizou-se a cada 2 horas o controle das seguintes variáveis: concentração de açúcares redutores totais (ART) pelo método de DNS (ácido 3,5-dinitro salicílico), segundo Miller modificado (1959); sólidos solúveis totais por refratometria, temperatura; ph, por potenciometria; teor alcoólico (ebuliômetro) e acidez total, por titulometria com NaOH 0,1N, Terminada a segunda etapa de fermentação alcoólica, iniciou-se a clarificação gradativa do vinho, através de trasfegas. A primeira trasfega foi realizada logo após o final da fermentação. Depois de 30 dias fez-se uma segunda trasfega. A trasfega consiste na remoção das partículas sólidas em suspensão, que caso não sejam removidas, podem dar origem a produtos de odor desagradável, como H 2 S ou mercaptana, os quais depreciam o vinho (Borzani et al., 1983). Engarrafou-se o fermentado em garrafas de 1L apropriadas para vinhos, de vidro verde escuro e rolhas de cortiça e em seguida pasteurizou-se as garrafas. A pasteurização foi realizada em água previamente aquecida a uma temperatura de 65ºC durante 30 minutos. Seguido de choque térmico, em água corrente. Terminado o processo de pasteurização, as garrafas foram armazenadas em ambiente fresco. Cálculo do rendimento, produtividade e dos parâmetros cinéticos da fermentação alcoólica O rendimento (%) e a produtividade (g/l.h) para a produção de bebida fermentada do fruto do mandacaru, foram calculados pelas Equações 1 e 2. Q EXP Rendimento (%) x 100(%) (1) Q TEO Q EXP Produtividade (g/l.h) (2) t onde: Q EXP = Concentração de etanol experimental = 0,7895(g/mL) ( GL/100) 1000(mL/L); Q TEO =Concentração de etanol teórico = Quantidade de açúcares consumidos 0,511; t = Tempo de fermentação (h); Através da Equação 3 foi calculado o parâmetro cinético Y p/s :

4 Etanol, ART, SST (%, g/l, Brix) 38 Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru P P0 YP/S (3) S0 S onde: S = concentração final de substrato (g/l); S 0 = concentração inicial de substrato (g/l); P = concentração final de produto (g/l); P 0 = concentração inicial de produto (g/l); Y p/s (rendimento em produto) = quantidade de produto formado em relação à quantidade de substrato limitante consumido. RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização da polpa do mandacaru A polpa in natura apresentou uma concentração de sólidos solúveis totais de 11ºBrix, que correspondente a 9,82g/L de açúcares redutores totais. No entanto, foi necessário adicionar sacarose ao mosto para que a bebida fermentada obtida apresentasse uma graduação alcoólica mais elevada. O ph de 4,1 apresentado pela polpa é adequado para a fermentação alcoólica e está de acordo com a faixa de ph ótimo que deve está entre 4 a 4,5 para conduzir uma boa fermentação (Lopes et al., 2006), não sendo necessário fazer a correção do mesmo. Fermentação alcoólica Durante o processo fermentativo foi observado o comportamento cinético das concentrações de açúcares redutores totais (substrato), sólidos solúveis totais (SST) e produto (etanol) em função do tempo de fermentação (Figura 1). Pode-se observar que a fermentação alcoólica ocorreu em duas etapas distintas, onde foi adicionado 30g/L de sacarose no início da fermentação (primeira etapa) e 70g/L na segunda etapa. Analisando a Figura 1 verifica-se que houve uma redução lenta na concentração de ART nas primeiras 4 horas da fermentação alcoólica, tornando-se mais rápida ao longo do tempo, atingindo um nível de 0,21% de ART com 16 horas de fermentação em decorrência do consumo do substrato pelo microrganismo, em paralelo houve um aumento na concentração de etanol chegando a 61,27 g/l (7,76% v/v). O teor de sólidos solúveis totais, constituído em sua maioria por açúcares redutores totais, decresceu em função do consumo dos açúcares pelos microrganismos, apresentando um perfil semelhante ao decréscimo dos açúcares redutores totais. Nesta fase da fermentação (16h) verificou-se que o teor de sólidos solúveis totais estava constante (Tabela 1) e a fermentação tinha cessado, logo foi adicionado os 70g/L de sacarose ao mosto (segunda chaptalização) o que ocasionou um aumento na concentração de ART. Silva (1998) comenta que a chaptalização feita em duas etapas é uma prática realizada para minimizar a inibição do microrganismo pelo substrato. A concentração de ART começou novamente a decrescer com o tempo de fermentação, fato este ocasionado pela ação da levedura, verificando-se uma redução de 94% de ART ao completar 27 horas de fermentação. Nesta fase da fermentação, a concentração de etanol já atingia o pico máximo, 82,11 g/l, que corresponde a 10,4 % em volume, a 20 ºC. Constata-se ainda, que no final da fermentação o Brix permaneceu constante (5,5), provavelmente, pela presença de açúcares infermentescíveis no suco de mandacaru Etanol (g/l) Açúcares redutores totais (g/l) Sólidos solúveis totais ( Brix) Tempo (h) Figura 1 Perfil cinético da produção de etanol, consumo de açúcares redutores totais e sólidos solúveis totais durante a fermentação alcoólica.

5 ph Acidez total (g/100ml) Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru 39 A Figura 2 mostra as variações de ph e acidez total durante o processo fermentativo. Pode-se constatar que o ph decresceu de 4,57 para 3,85 nas primeiras 12 horas, tornando-se praticamente constante até o final da fermentação, em contrapartida, a formação de ácidos foi crescente até o final da fermentação, mas ficou estável das 8 às 20 horas de fermentação. Tabela 1 Resultados das determinações analíticas realizadas durante o processo fermentativo T (h) ph Acidez (%) Brix Etanol (%) ART(g/L) 0 4,57 0,17 13,00 0,00 11,98 2 4,45 0,19 12,90 0,51 11,50 4 4,36 0,21 12,00 1,60 11,06 6 4,27 0,23 11,25 2,65 9,56 8 4,09 0,27 10,00 3,88 7, ,97 0,26 8,00 6,25 4, ,85 0,26 6,00 8,14 2, ,89 0,27 4,00 7,76 0, ,95 0,23 4,00 7,76 0, ,85 0,27 10,5 7,76 6, ,84 0,27 9,25 7,76 4, ,86 0,33 7,00 7,76 2, ,82 0,30 5,55 10,40 0, ,89 0,29 5,55 10,40 0, ,89 0,30 5,55 10,40 0,27 O aumento da acidez total e conseqüentemente a redução no ph ao longo do processo fermentativo (Figura 2) são decorrentes da produção de ácidos orgânicos, como ácido lático, acético e succínico, Borzani et al. (1983). Verificando-se ainda que a faixa de ph (3,89 a 4,57) durante o processo de fermentação foi suficiente para permitir uma rápida fermentação alcoólica e inibir bactérias indesejáveis. Comportamentos semelhantes na acidez e ph durante o processo fermentativo também foram verificadas por Bortolini et al. (2001), Andrade et al. (2003) e Torres Neto et al. (2006). É importante ressaltar que a variação na acidez durante a fermentação tem grande influência na estabilidade e coloração das bebidas fermentadas (Rizzon et al., 1994). 4,6 4,5 0,34 0,32 4,4 4,3 4,2 4,1 4,0 3,9 3,8 ph Acidez 0,30 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0, Tempo (h) Figura 2 - Variação do ph e da concentração de acidez total (g/100ml de ácido acético), em função do tempo de fermentação.

6 40 Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru Os resultados do rendimento, produtividade da bebida fermentada (vinho) do fruto do mandacaru e o parâmetro cinético Yp/s podem ser observados na Tabela 2. Analisando os dados obtidos, pode-se constatar que o rendimento (90,2%) e a produtividade (1,75 g/l.h) apresentaram valores bem próximos aos encontrados por Bortolini et al. (2001) que obtiveram rendimentos de 75,6-92,4% e produtividades de 0,74-2 g/l.h quando estudaram a fermentação alcoólica do kiwi. Silva (2004) verificou rendimento e produtividade de 55,67% e 0,78g/L.h, respectivamente, quando produziram fermentado de caju. O rendimento em produto deste trabalho foi de 0,461g/g, sendo este valor superior ao encontrado por Silva (2004) que obteve 0,3 e bem próximo ao de Andrietta & Stupiello (1990) que verificaram valores de Yp/s = 0,445 ao estudarem a fermentação alcoólica do caldo de cana. As variações observadas nos parâmetros cinéticos por várias pesquisas podem ser atribuídas a vários fatores como: cepa de levedura, operação do reator, temperatura e substrato. Tabela 2 - Valores experimentais da produção da bebida fermentada (vinho) do fruto do mandacaru Valores Parâmetros experimentais Rendimento (%) 90,2 Produtividade (g/l.h) 1,75 Yp/s (g/g) 0,461 Caracterização físico-química da bebida fermentada de mandacaru A composição química da bebida fermentada de mandacaru pode ser observada na Tabela 3. O teor residual de açúcares redutores totais e a graduação alcoólica de 82,11g/L (10,4% v/v) classificam a bebida como vinho seco. O teor alcoólico da bebida fermentada de mandacaru está de acordo com as especificações exigidas pela legislação brasileira de bebidas (Brasil, 1997). A bebida fermentada apresentou valores de açúcares redutores totais, sólidos solúveis, etanol e acidez total inferiores à bebida do fruto da pupunha obtida por Andrade et al. (2003) que foi de 1,01g/L; 7,25 Brix; 95,2g/L e 6,4g/L, respectivamente. No entanto, Lopes et al. (2005) estudando a produção do fermentado do fruto da palma forrageira obtiveram um valor médio de etanol de 6,05% (v/v), valor inferior ao obtido nesse trabalho. O ph de 3,91, observado no fermentado de mandacaru, confere a bebida uma maior resistência às infecções bacterianas. A acidez total da bebida teve seu valor duplicado, quando comparado ao início da fermentação, o que revela que não houve produção excessiva de ácidos orgânicos. Tabela 3 Resultados das análises físico-químicas da bebida fermentada Parâmetros analisados Média Açúcares redutores totais (g/l) 0,04 Sólidos solúveis ( Brix) 5,5 Etanol (g/l); ºGL (%v/v) 82,11; 10,4 ph 3,91 Acidez total (%ácido acético) 0,24

7 Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru CONCLUSÕES A levedura comercial (Saccharomyces cerevisiae) utilizada como inóculo foi eficiente na conversão da sacarose em etanol. O processo de fermentação alcoólica operou numa ótima faixa de ph. Os parâmetros de rendimento, produtividade e Y P/S obtidos confirmam que a levedura de panificação utilizada apresentou bom desempenho no processo de fermentação alcoólica. A bebida fermentada produzida apresentou uma concentração de etanol dentro da faixa determinada pela legislação brasileira. 41 Borzani, W.; Aquaroni, E.; Lima, U.A. Engenharia Bioquímica, v.3 São Paulo Brasil, Decreto n0 2314, 4 set. 1997, Diário Oficial da União, Brasilia, 05 de set., Garruti, D.S. Compostos voláteis e qualidade de aroma do vinho de caju. Campinas: UNICAMP/FEA, (Tese de Doutorado). Hashimure, T. In: Biotecnologia na Produção de Alimentos; Aquarone, E.; Borzani, W.; Schimidell, W.; Lima, U.A., eds.; Cap. 2. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Almeida, M. M.; Oliveira, A. S.; Amorim, B. C.; Freire, R. M. M.; Oliveira, L. S. C.; Silva, F. L. H. Características físicas e físico-químicas do fruto do mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.). In: I Simpósio Brasileiro de Pós-Colheita De Frutos Tropicais, 2005, João Pessoa. Anais... João Pessoa: Hotel Ouro Branco, p.1-6. ou (Cd Rom). Andrade, J.S.; Pantoja, L.; Maeda, R.N. Melhoria do rendimento e do processo de obtenção da bebida alcoólica de pupunha (Bactris gasipaes Kunth). Ciência e Tecnologia de Alimentos. Campinas, v.23(supl), p , dezembro Andrietta, S. R.; Stupiello, J. P. Simulação e modelagem para processo de fermentação alcoólica (II) continua. Stab Açúcar, Álcool e subprodutos. Piracicaba, v.9, p , set./dez., Araújo, J. P. P. de; Silva, V. V. Cajucultura: modernas técnicas de produção. Fortaleza: EMBRAPA-CNPAT, p Bortolini, F.; Sant Anna, E. S.; Torres, R. C. Comportamento das Fermentações Alcoólica e Acética de Sucos de Kiwi (Actinidia deliciosa); Composição dos Mostos e Métodos de Fermentação Acética. Ciência e Tecnologia de Alimentos. Campinas, v.21, n.2, p , maio-agosto Instituto Adolfo Lutz. Normas Analíticas: Métodos químicoas e físicos para análise de alimentos. São Paulo-SP, v. 1, 3ªed. 1985, 317p. Lopes, R.V.V.; Rocha, A.S.; Silva, F.L.H.; Gouveia, J. P. G. Aplicação do planejamento fatorial para otimização do estudo da produção de fermentado do fruto da palma forrageira. Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais. Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, v.7, n.1, p.25-32, Miller, G. Use of dinitrosalicilic acid reagent for determination of reducing sugars. Analytical Chem. New York, v.31, p Pantoja, L.; Maeda, R.N.; Andrade, J.S.; Pereira Jr., N.; Carvalho, S.M.S.; Astolfi Filho, S. Processo fermentativo para produção de bebida alcoólicade pupunha (Bactris gasipaes Kunth). Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento. Brasília, v.3, n.19, p , Rizzon, L.A.; Zanus, M.C.; Manfredini, S. Como elaborar vinho de qualidade na pequena propriedade, 3ªed., Bento Gonçalves: EMBRAPA-CNPUV, p. Rocha, E. A.; Agra, M. F. Flora do pico do jabre, Brasil: Cacteceae juss. Acta Botânica Brasileira. nº16, p.15-21, Silva, F.L.H. Modelagem, simulação e controle de fermentação alcoólica contínua extrativa. Campinas:

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