ISSN 1517-8595 141 INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS SOLÚVEIS TOTAIS NO SINAL FOTOACÚSTICO DE POLPA DE MANGA Waldemir Soares da Costa 1, Jose Suassuna Filho 2, Mário Eduardo R. M. Cavalacnti Mata 3, Alexandre José de Melo Queiroz 3 RESUMO No presente trabalho realizado a técnica fotoacústica foi utilizada para analisar polpa de manga a diferentes concentrações (polpa in natura: 13,4 0 Brix, 16,8 0 Brix, 19,6 0 Brix, 23 0 Brix, 25,4 0 Brix, 27,4 0 Brix e 30,4 0 Brix). Foram também obtidos os sinais fotoacústicos de soluções açucaradas, 13 0 Brix, 23 0 Brix e 33 0 Brix, que tiveram uma grande importância comparativa. Os espectros da polpa de manga em função da freqüência de modulação e da concentração mostraram-se compatíveis com os da solução açucarada. Palavras-Chave: fotoacústica, polpa de manga, sólidos solúveis totais INFLUENCE OF THE TOTAL SOLUBLE SOLIDS CONCENTRATION IN THE PHOTOACOUSTIC SIGN OF MANGO PULP ABSTRACT The photoacoustics technique was used in this work to analyze the mango pulp in different concentrations (pulp in natura:13,4 0 Brix, 16,8 0 Brix, 19,6 0 Brix, 23 0 Brix, 25,4 0 Brix, 27,4 0 Brix and 30,4 0 Brix ). The photoacoustic signs of sugary solutions were also obtained, 13 0 Brix, 23 0 Brix e 33 0 Brix, that had a great comparative importance. The spectra of the mango pulp, in function of the modulation frequency and of the concentration presented thenselves compatible with the ones of the sugary solution. Keywords: photoacoustic, fruit, sugar Protocolo 580 20/ 10 / 2004 1 Mestre em Engenharia Agrícola, Departamento de Física - UFCG Av. Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, 58109-970, Campina Grande, PB, Brasil, E-mail waldemir@df.ufcg.edu.br 2 Professor Doutor, Departamento de Física - UFCG Av. Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, 58109-970, Campina Grande, PB, Brasil, E-mail suassuna@df.ufcg.edu.br 3 Professor Doutor, Departamento de Engenharia Agrícola - UFCG Av. Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, 58109-970, Campina Grande, PB, Brasil, E-mail: mmata@deag.ufcg.edu.br, alex@deag.ufcg.edu.br
142 Influência da concentração de sólidos solúveis totais no sinal fotoacústico de polpa de manga Costa e Suassuna Filho INTRODUÇÃO Dentre os diversos componentes da fruta, os sólidos solúveis totais ( o Brix) desempenham um papel primordial para a sua qualidade, devido a influência nas propriedades termofísicas, químicas e biológicas da fruta. Na industria, a análise do o Brix tem grande importância, no controle dos ingredientes a serem adicionados ao produto e na qualidade final. A determinação do o Brix é utilizada nas industrias de doces, sucos, néctar, polpas, leite condensado, álcool, açúcar, sorvetes, licores e bebidas em geral. (Araújo, 2001; Simões, 1997). O teor dos sólidos solúveis ( o Brix) nos frutos é muito importante pois quanto maior a quantidade de sólidos solúveis existentes, menor será a quantidade de açúcar a ser adicionada aos frutos, quando processados pela indústria diminuindo, assim, o custo de produção e aumentando a qualidade do produto (Araújo, 2001; Silva, 2000; Silva, 1997 e Vieira 1995). Esses aspectos são muito importantes, considerando a necessidade de utilizar-se técnicas mais recentes para análises da influência do teor de o Brix, que caracteriza o objetivo deste trabalho. A espectroscopia fotoacústica, vem sendo utilizada de forma crescente na investigação de propriedades ópticas e térmicas de materiais biológicos ( Yang & Irundayaraj, 2000; Pão, 1997 e Zerbetto, 1993), como as frutas (Costa, 2003). As características mais importantes da técnica fotoacústica são: não destrutiva, medidas sem contato, preparação simples de amostra, alto limite de saturação do sinal, sensibilidade e capacidade de perfil de profundidade. A amostra é colocada na célula fotoacústica e fechada, mantendo contato com a camada de gás, o ar (Figura 1). A radiação modulada é direcionada na superfície da amostra, causando uma expansão térmica através do processo de desexcitação não radioativa, dominante no interior da amostra. Tais ondas térmicas, ao se difundirem para a superfície, induzem ondas de pressão na interface amostra-gás situada no interior de uma célula fotoacústica. Essas ondas se propagam ao longo de coluna de gás, podendo ser detectadas por um microfone de alta sensibilidade. Vale notar que apenas a porção da luz que é absorvida, responde pela geração das ondas térmicas de tal modo que o sinal fotoacústico resultante depende, exclusivamente, da quantidade de luz absorvida. Em sua propagação do interior da amostra para a superfície as ondas térmicas são atenuadas no processo de difusão térmica, conforme Figura 1. Segundo Rosencwaig e Gersho (1976), apenas ondas térmicas geradas até uma profundidade da ordem de 2 s, onde s é o comprimento de difusão térmica da amostra definida como: s = (D / f) 1/2 (1) onde D é a difusividade térmica da amostra, f é a freqüência de modulação da radiação, contribuem para o sinal fotoacústico. Figura 1 - Diagrama simplificado de uma célula fotoacústica
Influência da concentração de sólidos solúveis totais no sinal fotoacústico de polpa de manga Costa e Suassuna Filho 143 MATERIAIS E MÉTODOS Para medir o sinal fotoacústico da polpa de manga e da solução açucarada à varias concentrações de sólidos solúveis totais( o Brix) em função da freqüência de modulação, utilizou-se uma lâmpada de arco de xenônio modelo 6269 Oriel Corp. de 1000W de potência, um modulador ótico modelo OC- 4000 PTI, um monocromador ótico de varredura modelo 272, 0.2, f/2 com grade de difração holográfica modelo 1710 da Mcpherson, um amplificador lock-in SR-850 e uma célula fotoacústica modelo 200 da Mtec Photoacoustic. O monocromador foi ajustado para o comprimento de onda, = 475nm, referente a luz azul. Em seguida, ajustou-se o feixe de luz para incidir na amostra num formato cilíndrico, com 10mm de diâmetro e comprimento de 3mm, colocada na célula fotoacústica. O amplificador lock-in fez os registros dos aquecimentos periódicos das amostras detectados por um microfone de alta sensibilidade (50mV/Pa) acoplado à célula. Os dados fornecidos pelo lock-in foram processados por um software, Grams386, e ajustados através do software Origin 6.0. A montagem experimental usada nas medidas de amplitude do sinal fotoacústico deste trabalho é apresentada na Figura 2. Figura 2 - Diagrama de bloco do espectrômetro fotoacústico Detecção em amplitude do sinal fotoacústico O método utilizado, neste trabalho, foi baseado na teoria de Rosencwaig & Gersho (1) (17), em que a expressão para o sinal fotoacústico em função da freqüência de modulação, quando a amostra é, termicamente, grossa s << s, onde s é a espessura da amostra e s = ( s /f) 1/2 é o comprimento de difusão térmica da amostra com s e f sendo a difusividade térmica da amostra e a freqüência de modulação, respectivamente, pode ser escrita como (Hernández-Guerra et al., 2000). V d = (S 0 /1+jRC).(cosh( s s )/senh( s s )).(1-cosh( g g )-senh( g g )).(e j ) (2) onde V d é o sinal do microfone, = 2f é a frequência angular de modulação, g é a espessura da câmara de gás(ar), s = (1+j)a s é o coeficiente de difusão térmica complexo da amostra, S 0 é a constante que depende da geometria da célula fotoacústica, R e C são a resistência e a capacitância do microfone.
144 Influência da concentração de sólidos solúveis totais no sinal fotoacústico de polpa de manga Costa e Suassuna Filho RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas Figuras 3 e 4, encontram-se os sinais fotoacústicos em função da freqüência de modulação das amostras de polpa de manga e da solução açucarada à varias concentrações de sólidos solúveis, com comprimento de onda, = 475nm, obtidos do ajuste da amplitude do sinal fotoacústico da Equação 2. Figura 3 - Espectro Fotoacústico de polpa de manga em varias concentrações ( o Brix) no domínio de freqüência com comprimento de onda, = 475nm Figura 4 - Espectro fotoacústico de solução açucarada no domínio de freqüência para as concentrações de 13 0 Brix e 33 0 Brix com comprimento de onda, = 475nm
Influência da concentração de sólidos solúveis totais no sinal fotoacústico de polpa de manga Costa e Suassuna Filho Os resultados parciais mostram que existem diferenças entre os espectros de absorção da polpa de manga e da solução açucarada. Pode-se observar que, na freqüência de modulação, f = 12,24Hz 1/2, a solução açucarada produz um espectro de absorção de maior intensidade para a concentração de 13 0 Brix e 23 0 Brix é, aproximadamente, igual à concentração de 33 0 Brix que o espectro da polpa de manga. Observou-se também, que o sinal fotoacústico das amostras de polpa de manga em função da freqüência de modulação apresenta-se igual para as concentrações, 13,4 0 Brix < C < 30,4 0 Brix na faixa de freqüência, 13,7Hz 1/2 < f < 14,3Hz 1/2. 145 A variação da intensidade do sinal fotoacústico da polpa de manga em função da concentração para uma freqüência de modulação, f = 12,24Hz 1/2, está representada na Figura 3. Observou-se que a intensidade do sinal fotoacústico aumenta com a concentração da polpa, segundo uma relação cúbica do tipo: SF = -4,526.10-4 + 0,00168C 1,02577E-4C 2 + 1,8098E-6C 3 (3) O valor do coeficiente de determinação (R 2 = 0,9604) indica que a equação polinomial de terceiro grau descreve bem o comportamento dos dados observados. Figura 5 - Sinal Fotoacústico da polpa de manga em função da concentração ( o Brix) comprimento de onda, = 475nm. com Na Figura 6, é mostrado o comportamento da variação da intensidade do sinal fotoacústico da solução açucarada em função da concentração para uma freqüência de modulação, f = 12,24Hz 1/2. Observou-se que a solução açucarada se apresentou com o mesmo comportamento da polpa de manga, em que a intensidade do sinal fotoacústico aumenta com a concentração da solução, segundo uma relação cúbica do tipo: SF = 0,0,01615 2,78.10-4 C (4) O valor do coeficiente de determinação (R 2 = 0,8764) indica que a equação polinomial de terceiro grau descreve bem o comportamento dos dados observados.
146 Influência da concentração de sólidos solúveis totais no sinal fotoacústico de polpa de manga Costa e Suassuna Filho Figura 6 - Sinal Fotoacústico da solução açucarada em função da concentração ( o Brix) comprimento de onda, = 475nm. com CONCLUSÕES A análise dos espectros da polpa de manga nas concentrações utilizadas neste trabalho permite concluir que: A intensidade do sinal fotoacústico diminui com o aumento da concentração da polpa para uma freqüência de modulação, f = 12,24Hz 1/2, segundo uma relação cúbica; Para a faixa de freqüência de modulação, 13,7Hz 1/2 < f < 14,3Hz 1/2, a intensidade do sinal fotoacústico da polpa não mostrou variações significativas em função da concentração e, portanto, foi considerada constante; A intensidade do sinal fotoacústico diminui com o aumento da concentração da solução açucarada para uma freqüência de modulação, f = 12,24Hz 1/2, segundo uma relação linear; REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Araújo, J. L. Propriedades termofísicas da polpa do cupuaçu. 2001. 85f. Campina Grande, Universidade Federal da Paraíba, (Mestrado em Engenharia Agrícola). Costa, W. S. Espectroscopia fotoacústica aplicada à determinação da efusividade térmica de polpas de frutas. 2003. 72p. Campina Grande, Universidade Federal da Paraíba, (Mestrado em Engenharia Agrícola). Hernandez Guevara, A.; Cruz Orea, A.; Sánchez Sinencio, F. Application of the photoacoustic technique in the optical and thermal characterization of a ternary compoud embedded in a zeolite host. Superfícies y Vacio, v. 10, p. 51-55, 2000. Pao, Y.H. Solid state photoacoustic spectroscopy. In: Rosencwaig, A. (1 a ed.). Optoacoustic spectroscopy and detection. New York: Academic Press, INC., 1997. cap. 8, p. 193. Rosencwaig, A; A. Gersho. Theory of the photoacoustic effect with solids. Journal Applied Physics, v. 47, p. 64-69, 1976.
Influência da concentração de sólidos solúveis totais no sinal fotoacústico de polpa de manga Costa e Suassuna Filho 147 Silva, S. B Propriedades termofísicas da polpa do abacaxi. 1997. 93p. Campinas - SP, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos. (Mestrado cm Engenharia de Alimentos). Silva, L. D.; Costa, R. C.; Suassuna Filho, J.; Carvalho. L, H. Espectroscopia fotoacústica de alguns polímeros na região do espectro. Encontro Nacional de Física da matéria Condensada, 26, 2003, Caxambu, Resumo... UFMG/ENFMC, 2003. v.1, p. 243. Simões, R. M. Propriedades termofísicas da polpa de manga. 1997. 73p. Campinas - SP, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos. (Mestrado cm Engenharia de Alimentos). Vieira, J A. G. Propriedades termofísicas e convecção no escoamento laminar de suco de laranja em tubos. 1996. 87p. Campinas - SP, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos. (Doutorado cm Engenharia de Alimentos).
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 Análises Químicas, atendendo diversas linhas de pesquisas dentre as quais as de: Alterações dos constituintes químicos de grãos e sementes armazenadas em unidades convencionais e sob atmosfera controlada; Alterações das características físico-químicas e dos constituintes químicos dos frutos sob condições ambientais, a temperaturas de refrigeração e de congelamento; Alterações químicas e físico-químicas de diferentes tipos de carne Estudo de novas técnicas de medição dos constituintes químicos LABORATÓRIO DE ANÁLISES QUÍMICAS O Laboratório de Análises Químicas atende principalmente os Cursos de Graduação e Pós- Graduação em Engenharia Agrícola e o Doutorado em Engenharia de Processos da Universidade Federal de Campina Grande UFCG. Coordenação da Área de Armazenamento e Processamento de Produtos Agrícolas Av. Aprígio Veloso, 882 Caixa Postal 10.087 Fones (083)310-1287; 310-1194 FAX 310-1185 Email- mmata@deag.ufpb.br Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.6, n.2, p.148, 2004