Tecnologia do Processamento de Alimentos (Capítulo 1)

Parte I

PRINCÍPIOS BÁSICOS

1 Propriedades dos alimentos e teoria do processamento

1.1 PROPRIEDADES DE LÍQUIDOS, SÓLIDOS E GASES Os líquidos, os gases e alguns sólidos (p. ex., pós e materiais particulados) são denominados “fluidos” e podem fluir sem se desintegrarem quando uma pressão é aplicada sobre eles. Em contraste, sólidos deformam-se quando uma pressão é aplicada sobre eles (Seção 1.1.4). Nesta seção, serão descritas as propriedades de fluidos e sólidos relevantes tanto para o projeto de processos alimentícios quanto para a qualidade dos alimentos processados. Tratamentos matemáticos mais aprofundados e derivações de fórmulas utilizadas nos cálculos de engenharia de alimentos são fornecidos em diversos textos, incluindo Toledo (1999), Lewis (1990), Brennan e colaboradores (1990) e Earle (1983). A transição de sólido para líquido e vice versa é conhecida como transição de fase e é importante em muitos tipos de processamento de alimentos (p. ex., água em vapor d’água na evaporação e destilação [Capítulo 13] e desidratação [Capítulo 15], água em gelo no congelamento [Capítulo 21] e liofilização ou concentração pelo frio [Capítulo 22] ou cristalização de gorduras [Capítulo 23]). O fenômeno ocorre isotermicamente e na temperatura de transição de fase pela liberação ou absorção de calor latente, podendo ser representado por um diagrama de fa ses (p. ex., Capítulo 22, Figura 22.1). Um segundo tipo de transição, conhecida como transição vítrea, ocorre sem liberação ou absorção de calor latente e envolve a transição de um alimento para um estado vítreo amorfo

em sua temperatura de transição vítrea. O processo depende do tempo, da temperatura e do teor de umidade do alimento. Exemplos de temperaturas de transição vítrea são dados no Capítulo 21 (Tabela 21.2). Quando os materiais mudam para a forma vítrea, eles não se tornam cristalinos, mas mantêm a desorganização do estado líquido. No entanto, suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e térmicas modificamse enquanto eles passam pela transição. No estado vítreo, os alimentos tornam-se mais estáveis, pois os compostos envolvidos nas reações químicas que produzem a deterioração são imobilizados e requerem períodos mais longos de tempo para se difundirem através do material para reagirem. Detalhes de nove conceitos fundamentais que destacam a relação entre a mobilidade molecular e a estabilidade do alimento são explicados por Fennema (1996). Processos que são significativamente influenciados pela transição a um estado vítreo incluem retenção de aromas, cristalização, atividade enzimática, atividade microbiana, escurecimento não-enzimático, oxidação, aglomeração e aglutinação. A relação entre a transição vítrea e a atividade da água (Seção 1.5) e os fatores que afetam essa transição são descritos em detalhes por Rahman (1999), Blanshard (1995) e Fennema (1996). 1.1.1 1.1.1 Densidad Densidadee e peso peso espe específic cífico o É importante conhecer a densidade dos alimentos nos processos de separação (Capítulo 6), pois diferenças na densidade podem ter

1 Propriedades dos alimentos e teoria do processamento

1.1 PROPRIEDADES DE LÍQUIDOS, SÓLIDOS E GASES Os líquidos, os gases e alguns sólidos (p. ex., pós e materiais particulados) são denominados “fluidos” e podem fluir sem se desintegrarem quando uma pressão é aplicada sobre eles. Em contraste, sólidos deformam-se quando uma pressão é aplicada sobre eles (Seção 1.1.4). Nesta seção, serão descritas as propriedades de fluidos e sólidos relevantes tanto para o projeto de processos alimentícios quanto para a qualidade dos alimentos processados. Tratamentos matemáticos mais aprofundados e derivações de fórmulas utilizadas nos cálculos de engenharia de alimentos são fornecidos em diversos textos, incluindo Toledo (1999), Lewis (1990), Brennan e colaboradores (1990) e Earle (1983). A transição de sólido para líquido e vice versa é conhecida como transição de fase e é importante em muitos tipos de processamento de alimentos (p. ex., água em vapor d’água na evaporação e destilação [Capítulo 13] e desidratação [Capítulo 15], água em gelo no congelamento [Capítulo 21] e liofilização ou concentração pelo frio [Capítulo 22] ou cristalização de gorduras [Capítulo 23]). O fenômeno ocorre isotermicamente e na temperatura de transição de fase pela liberação ou absorção de calor latente, podendo ser representado por um diagrama de fa ses (p. ex., Capítulo 22, Figura 22.1). Um segundo tipo de transição, conhecida como transição vítrea, ocorre sem liberação ou absorção de calor latente e envolve a transição de um alimento para um estado vítreo amorfo

em sua temperatura de transição vítrea. O processo depende do tempo, da temperatura e do teor de umidade do alimento. Exemplos de temperaturas de transição vítrea são dados no Capítulo 21 (Tabela 21.2). Quando os materiais mudam para a forma vítrea, eles não se tornam cristalinos, mas mantêm a desorganização do estado líquido. No entanto, suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e térmicas modificamse enquanto eles passam pela transição. No estado vítreo, os alimentos tornam-se mais estáveis, pois os compostos envolvidos nas reações químicas que produzem a deterioração são imobilizados e requerem períodos mais longos de tempo para se difundirem através do material para reagirem. Detalhes de nove conceitos fundamentais que destacam a relação entre a mobilidade molecular e a estabilidade do alimento são explicados por Fennema (1996). Processos que são significativamente influenciados pela transição a um estado vítreo incluem retenção de aromas, cristalização, atividade enzimática, atividade microbiana, escurecimento não-enzimático, oxidação, aglomeração e aglutinação. A relação entre a transição vítrea e a atividade da água (Seção 1.5) e os fatores que afetam essa transição são descritos em detalhes por Rahman (1999), Blanshard (1995) e Fennema (1996). 1.1.1 1.1.1 Densidad Densidadee e peso peso espe específic cífico o É importante conhecer a densidade dos alimentos nos processos de separação (Capítulo 6), pois diferenças na densidade podem ter

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efeitos importantes na operação de redução de tamanho e em equipamentos de mistura (Capítulos 4 e 5). A densidade do material é igual a sua massa dividida por seu volume, e sua unidade é kg m-3. Exemplos de densidade de alimentos sólidos e de outros materiais utilizados no processamento de alimentos são mostrados na Tabela 1.1 (veja também Capítulo 15, Tabe-

TABELA 1.1

Densidade de alimentos e outros materiais

Material Sólidos

Alumínio Cobre Aço inoxidável Concreto

Uvas Tomates Limões / laranjas Frutas frescas Frutas congeladas Peixe fresco Peixe congelado Água (0o C) Gelo (0o C) Gelo (-10o C) Gelo (-20o C) Gordura Sal Açúcar (granulado) Açúcar (pó) Amido Trigo Farinha de trigo Cevada Aveia Arroz Gases

Ar Ar Gás carbônico Gás carbônico Nitrogênio

la 15.7), e exemplos de densidades de líquidos são mostrados na Tabela 1.2. A densidade dos materiais não é constante e altera-se altera- se com a temperatura (temperaturas mais elevadas reduzem a densidade dos materiais) e com a pressão. Isso é particularmente importante para fluidos, nos quais diferenças na densidade causam correntes de convecção (Seção 1.4.3).

Densidade (kg m–3)

Densidade a granel (kg m–3)

Temperatura (oC)

2.640 8.900 7.950 2.000

– – – –

0 0 20 20

1.067 – – 865-1.067 625-801 967 1.056 1.000 916 933 948 900-950 2.160 1.590 – 1.500 1.490-1.430 – 1.374-1.415 1.350-1.378 1.358-1.386

368 672 768 – – – – – – – – – 960 800 480 – 790-819 480 564-650 358-511 561-591

– – – – – – – 0 0 -10 -20 20 – – – –

1,29 0,94 1,98 1,46 1,30

– – – – – –

Adaptada de dados de Earle (1983), Lewis (1990), Milson e Kirk (1980), Peleg (1983) e Moshenim (1970).

– – – – 0 100 0 100 0

TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS

TABELA 1.2

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Propriedades de fluidos

Condutividade Calor térmica específico Densidade -1 o -1 (W m K ) (kJ kg-1 K-1) (kg m-3) °

Ar

0,024 0,031 0,015

Gás carbônico Oxigênio Nitrogênio Refrigerante 12 Água Solução de sacarose (60%) Solução de sacarose (20%) Solução de cloreto de sódio (22%) Ácido acético Etanol Óleo de colza Óleo de milho Azeite de oliva Óleo de girassol Leite integral

0,024 0,0083 0,57 0,68

1,005 1,005 0,80 0,92 1,05 0,92 4,21 4,21

0,54 0,54 0,17 0,18

3,8 3,4 2,2 2,3 1,73

0,168

1,93 3,9

0,56

Leite desnatado Creme de leite (20% gordura) Goma guar (solução de 1%) Goma xantana (solução de 1%)

1,29 0,94 1,98 1,30 1.000 958 1.070 1.240 1.050 790 900

Viscosidade dinâmica (N s m-2) 1,73 x 10-5 2,21 x 10-5 1,48 x 10-3 1,79 x 10-3 0,28 x 10-3 6,02 x 10-2 1,92 x 10-3 2,7 x 10-3 1,2 x 10-3 1,2 x 10-3 1,18 x 10-1 8,4 x 10-2

1.030 1.040 1.010 1.000

2,12 x 10-3 2,8 x 10-3 1,4 x 10-3 6,2 x 10-3 1,5 x 10-2

Temperatura (oC) 0 100 0 20 0 0 100 20 20 2 20 20 20 20 29 20 20 10 25 3

De Earle (1983), Lewis (1987) e Peleg e Bagley (1983).

A densidade de líquidos é uma medida direta da relação massa/volume sob uma temperatura determinada, porém para sólidos particulados e pós existem duas formas de densidade: a densidade dos pedaços individuais e a densidade do conjunto do material, que também inclui espaços de ar entre os pedaços. pedaço s. Esta última medida é denominada densidade a granel e é a massa de sólidos dividida pelo volume bruto. A fração do volume que é ocupada pelo ar é chamada de porosidade ( ) e é calculada por: ∈

∈

= V a / V b

1.1

onde V a = volume do ar (m3) e V b = volume bruto (m3). A densidade a granel do material depende da densidade do sólido e da geometria, do tamanho e das propriedades superficiais das partículas individuais. Alguns exemplos dessa densidade para alguns alimentos são mostrados na Tabela 1.1 e ela é discutida em relação a pós secos por spray drying no Capítulo 15.

A densidade dos líquidos pode ser expressa como gravidade específica, um número adimensional (Apêndice D), que é encontrado pela divisão da massa (ou densidade) de um líquido pela massa (ou densidade) de um volume igual de água pura na mesma temperatura: SG = massa de líquido/massa de água

1.2

SG = densidade de líquido/ densidade da água

1.3

Se a gravidade específica de um líquido é conhecida em uma temperatura tem peratura particular particula r, sua densidade pode ser encontrada usando: ρ L

= (SG)T . ρ W

1.4

onde ρ L = densidade líquida (kg m -3 ) e ρ W = densidade da água, à temperatura T (oC). A gravidade específica é muito utilizada no lugar da densidade na produção de cerveja e em outras fermentações alcoólicas alcoólicas (Capítulo 7), em em que o termo “gravidade original” original” (GO) é utilizado para designar a gravidade específica do líqui-

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do antes da fermentação (p. ex., “1.072” ou “72” referem-se à gravidade específica de 1,072). A densidade dos gases depende de sua pressão e temperatura (Tabela 1.1). A pressão é geralmente expressa como pressão gauge, quando é acima da pressão atmosférica, ou como vácuo gauge, quando é abaixo da pressão atmosférica. A pressão é calculada utilizando a equação dos gases ideais: 1.5

PV = nRT

onde P = pressão absoluta (Pa), V = volume (m3), n = número de móis de gás (kmole), R = constante dos gases (8.314 (N[m]/[kmole K]) e T = temperatura (K). Essa equação é útil para calcular transferências gasosas em aplicações como armazenagem ou embalagem em atmosfera modificada (Capítulo 20), congelamento criogênico (Capítulo 21) e permeabilidade de materiais de embalagem (Capítulo 24).

Problema-exemplo 1.1

Calcule a quantidade de oxigênio que entra através de um filme de embalagem de polietileno em 24 horas, se, o pacote possui uma área superficial de 750 cm 2 e uma permeabilidade ao oxigênio de 120 mL m -2 por 24 horas a 23 C e umidade relativa de 85% (veja Capítulo 24, Tabela 24.2). °

Solução do Problema-exemplo 1.1

O volume de oxigênio entrando através do polietileno: V = 120 x 750

100 2 = 9,0 cm3 Utilizando a Equação 1.5 n = 9,0 x 1.000 / (8.314 x 273)

= 0,00396 kmole

A densidade de gases e vapores é também referida como volume específico, que é o volume ocupado por uma unidade de massa do vapor ou gás e é o inverso da densidade. Esse valor é utilizado, por exemplo, no cálculo da quantidade de vapor que deve ser empregada pelos ventiladores durante a desidratação (Capítulo 15) ou por bombas de vácuo over-run

=

durante a liofilização (Capítulo 22) ou evaporação a vácuo (Capítulo 13). Mais detalhes são dados por Lewis (1990) e Toledo (1999). Quando ar é incorporado em líquidos (p. ex., massas para bolo, sorvete, merengue), forma-se uma espuma e a densidade é reduzida. A quantidade de ar incorporada é denominada overrun e é descrita no Capítulo 4 (Seção 4.2.3).

volume de espuma – volume de líquido x 100 volume de líquido

Valores Valores típicos de over-run são 60 a 100% para sorvetes e 100 a 120% para creme batido.


1.1.2 Viscosidade A viscosidade é uma característica importante para alimentos líquidos em diversas áreas do processamento de alimentos. Por exemplo, a sensação bucal de produtos como ketchup, creme de leite, xaropes e iogurte depende de sua consistência ou viscosidade.1 A viscosidade de muitos líquidos altera-se durante o aquecimento, o resfriamento, a concentração, etc., e isso tem efeitos importantes, por exemplo, na força necessária para bombear esses produtos. A viscosidade de alguns fluidos comuns é mostrada na Tabela 1.2. A viscosidade pode ser considerada a resistência interna do líquido ao fluxo. Um líquido pode ser visto como tendo uma série de camadas e, quando flui sobre uma superfície, a camada superior flui mais rapidamente e arrasta junto a seguinte em uma velocidade um pouco mais baixa, e assim por diante, ao longo de todas as camadas, até a última, junto à superfície, que permanece estacionária. A força que move o líquido é conhecida como força ou tensão de cisalhamento; e o gradiente de velocidade, como taxa de cisalhamento. Em um gráfico da tensão de cisalhamento em relação à taxa de cisalhamento, a maioria dos líquidos simples e dos gases mostra uma relação linear (linha A na Figura 1.1) e são denominados fluidos newtonianos. Exemplos incluem a água, a maioria dos óleos, gases e soluções simples de açúcares e sais. Quando a relação não é linear (linhas B-E, na Figura 1.1), os fluidos são denominados não-newtonianos. Mais detalhes são fornecidos por Nedderman (1997). Para todos os líquidos, a viscosidade decresce com o aumento da temperatura, porém, para a maioria dos gases, ela aumenta com a temperatura (Lewis, 1990). Muitos líquidos são não-newtonianos, incluindo emulsões, suspensões e soluções concentradas que contêm amidos, pectinas, gomas

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e proteínas. Esses líquidos freqüentemente apresentam propriedades newtonianas em baixas concentrações, mas, à medida que a concentração da solução aumenta, a viscosidade aumenta rapidamente, e ocorre uma transição para propriedades não-newtonianas (Rielly, 1997). Fluidos não-newtonianos podem ser classificados, de forma genérica, nos seguintes tipos: • Fluidos pseudoplásticos (linha B, na Figura 1.1): a viscosidade decresce com o aumento da taxa de cisalhamento (p. ex., emulsões e suspensões tais como sucos de frutas concentrados e purês). • Fluidos dilatantes (linha C, na Figura 1.1): a viscosidade aumenta com a taxa de cisalhamento (esse comportamento é menos comum mas é encontrado no chocolate líquido e em suspensões de farinha de milho). • Fluidos plásticos de Bingham ou Casson (linhas D e E, na Figura 1.1): não existe fluxo até que uma certa tensão de cisalhamento seja atingida, então a taxa de cisalhamento é linear (tipo Bingham) ou não-linear (tipo Casson) (p. ex., ketchup). • Fluidos tixotrópicos: a estrutura quebra-se e a viscosidade diminui com uma tensão de cisalhamento contínua (a maioria dos cremes). • Fluido reopéctico: a estrutura se fortalece e a viscosidade aumenta com uma tensão de cisalhamento contínua (p. ex., creme batido). • Material viscoelástico: exibe propriedades viscosas e elásticas ao mesmo tempo. Quando a tensão de cisalhamento é removida, o material nunca retorna integralmente à forma original, e ocorrendo uma deformação permanente (p. ex., massa de pão, quei jo, géis).

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Tensão de cisalhamento E D

B

A C

Taxa de cisalhamento

Mudanças na viscosidade de fluidos newtonianos (A) e diferentes tipos de fuidos nãonewtonianos; (B) fluido pseudoplástico; (C) fluido dilatante; (D) fluido plástico tipo Bingham e (E) fluido plástico tipo Casson. (De Lewis, 1990.) FIGURA 1.1

A medida da viscosidade é complexa pela veis, que possuem uma camada limite entre as variedade de termos utilizados para descrevê- duas fases (Tabela 1.3). Essas fases são conhela. A mais simples é a relação entre tensão de cidas como fase dispersa (que contém pequecisalhamento e taxa de cisalhamento, que é nas gotículas ou partículas) e fase contínua denominada viscosidade dinâmica (kg m–1 s-1). (aquela na qual as gotículas ou partículas esEla está relacionada a um outro termo, visco- tão dispersas). Detalhes da preparação de sidade cinemática (m2 s-1) da seguinte forma: emulsões são fornecidos no Capítulo 4. Uma característica desses sistemas é a grande área superficial da fase dispersa que viscosidade dinâmica viscosidade cinemática = está em contato com a fase contínua. Para audensidade mentar a área superficial, é necessário introduzir uma quantidade considerável de ener1.6 Outros termos, incluindo viscosidade re- gia no sistema, utilizando, por exemplo, um lativa, viscosidade específica e viscosidade apa- misturador de alta velocidade ou um homogerente, junto com descrições de métodos de me- neizador. Quando se criam novas superfícies, dição da viscosidade, são apresentados por formam-se gotículas. Para entender o porquê disso, é necessário conhecer as forças atuando Lewis (1990) e Toledo (1999). nos líquidos: dentro da massa de um líquido as forças que atuam em cada molécula individualmente são iguais em todas as direções e 1.1.3 Atividade superficial podem anular-se. No entanto, na superfície, a Uma grande quantidade de alimentos é atração líquida é na direção da massa do líformada por dois ou mais componentes imiscí- quido, e, como resultado, as moléculas da


TABELA 1.3

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Exemplos de sistemas de alimentos coloidais

Fase dispersa

Fase contínua

Nome

Exemplo

Líquida Sólida Gás

Gás Gás Líquida

Neblina, névoa, aerossol Fumaça, aerossol Espuma

Sprays (p. ex. secagem por spray )

Líquida

Líquida

Emulsão

Sólida Gás

Líquida Sólida

Solução, solução coloidal, gel Espuma sólida

Névoa de gás carbônico, fumaça Creme batido, aeração de meio de fermentação, hidrogenação de óleos (hidrogênio em óleos) Creme, maionese, margarina, molho para saladas, salsichas e bolos Achocolatados, suco de frutas Merengue, sorvete

De Lewis (1990).

superfície são “puxadas para dentro” e estão cantes orientam-se na superfície das gotículas, em estado de tensão (produzida pelas forças com a terminação polar na fase aquosa e a nãode tensão superficial). Isso faz com que as polar na fase oleosa. gotículas líquidas se transformem em esferas Detergentes são agentes de superfície atiporque essa forma possui a menor área su- va que reduzem a tensão superficial de líquiperficial para o volume de líquido específico. dos, tanto para promover a “molhabilidade” (espalhamento do líquido) quando para agir como emulsificantes para dissolver gorduras. As Emulsões moléculas detergentes possuem uma região Os compostos químicos que reduzem a lipofílica formada por uma longa cadeia de ácitensão superficial de um líquido são denomi- dos graxos e uma região hidrofílica com um sal nados de superfície ativa e são conhecidos como sódico de acido carboxílico (detergente “surfactantes”, “emulsificantes” ou “detergen- saponáceo) ou de sulfonato alquílico ou arílico tes”. Pela redução da tensão superficial eles per- (detergentes aniônicos). Detergentes aniônicos mitem que novas superfícies sejam produzidas não são afetados pela água dura, ao passo que mais facilmente quando a energia é incorpora- detergentes saponáceos formam uma espuma da ao sistema (p. ex., por homogeneizadores), escura em água dura. Detergentes não-iônicos, permitindo, assim, que um maior número de que possuem álcoois, ésteres ou éteres como o gotículas seja formado. Existem surfactantes componente hidrofílico, produzem pouca espuque ocorrem naturalmente nos alimentos, in- ma e são facilmente enxaguados. Enzimas tamcluindo álcoois, fosfolipídeos e proteínas, que bém podem ser adicionadas aos detergentes são algumas vezes utilizados para criar para remover proteínas, outros ingredientes emulsões em alimentos (p. ex., utilizar ovos podem incluir polifosfatos (para amaciar a água em massa para bolos). No entanto, compostos e manter a sujeira em suspensão), sulfato ou químicos sintéticos possuem uma atividade silicato de sódio (para fazer detergentes em pó superficial maior e são utilizados em quanti- que fluam livremente) e perborato de sódio dades muito pequenas para criar emulsões. (agente branqueador). Outros são utilizados em detergentes para operações de limpeza (Capítulo 26). Detalhes de Espumas agentes emulsificantes sintéticos são fornecidos no Capítulo 4 e no Apêndice C. Espumas são sistemas bifásicos que pos Agentes de atividade superficial possuem suem bolhas de gás dispersas em um líquido moléculas polares (ou “hidrofílicas”) em uma ou sólido separadas por uma película fina. Além extremidade e não-polares (ou “lipofílicas”) na das espumas alimentares (Tabela 1.3), as esoutra. Em emulsões, as moléculas dos emulsifi- pumas são muito utilizadas para limpar equi-

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pamentos. Os principais fatores necessários para produzir uma espuma estável são:

1. Uma avaliação inicial da dureza, da capacidade de quebrar e da consistência durante a primeira mordida. 2. Uma percepção da mastigabilidade, da adesividade e da gomosidade durante a mastigação e da umidade e da oleosidade do alimento, além de uma avaliação do tamanho e da geometria dos pedaços individuais do alimento. 3. Uma percepção da taxa na qual o alimento se quebra durante a mastigação, dos tipos de pedaços formados, da liberação ou absorção de umidade ou de qualquer cobertura na boca e na língua pelo alimento.

• baixa tensão superficial para permitir que as bolhas contenham mais ar e evitar a contração; • gelificação ou insolubilização da película das bolhas para minimizar a perda do gás contido e aumentar a rigidez da espuma; e • baixa pressão de vapor nas bolhas para reduzir evaporação e ruptura do filme. Em espumas alimentares, a estrutura da espuma pode ser estabilizada por congelamento (sorvetes), por gelificação (endurecimento da gelatina em marshmallow), por aquecimento (bolos e merengues) ou por adição de estabilizantes como proteínas ou gomas (Apêndice C). 1.1.4 Reologia e textura

A textura dos alimentos tem uma influência substancial na percepção da qualidade pelos consumidores. Durante a mastigação, informações sobre as modificações da textura do alimento são transmitidas ao cérebro pelos sensores na boca, pela audição e pela memória para construir uma imagem das propriedades de textura do alimento. Isso pode ocorrer em algumas fases: TABELA 1.4

Essas várias características foram categorizadas (Tabela 1.4) e utilizadas para avaliar e monitorar as modificações na textura que afetam a qualidade dos alimentos. Reologia é a ciência da deformação de objetos sob a influência de forças aplicadas. Quando um material sofre um estresse ele se deforma, e a taxa e o tipo de deformação caracterizam suas propriedades reológicas (as de alimentos sólidos estão descritas em maiores detalhes no Capítulo 4). Um grande número de diferentes métodos tem sido utilizado para avaliar a textura dos alimentos, incluindo perfil de textura por métodos sensoriais, utilizando painéis de testadores (p. ex., Bourne, 1982), a Aná-

Características da textura dos alimentos

Característica primária

Característica secundária

Características mecânicas

Dureza Coesividade Viscosidade Elasticidade Adesividade

Fragilidade Mastigabilidade Gomosidade

Características geométricas

Tamanho e forma das partículas Forma e orientação das partículas

Adaptada de Szczesniak (1963).

Macio a firme a duro Farelento, crocante, quebradiço Tenro, mastigável, duro Curto, farinhento, pastoso, borrachudo Fino, viscoso Plástico, elástico Grudento, liguento, pegajoso Arenoso, granulado, grosseiro Fibroso, celular, cristalino

Outras características

Teor de umidade Teor de gordura

Termo popular

Oleosidade Engraxamento

Seco a úmido a molhado a aguado Oleoso Gorduroso


lise Descritiva Quantitativa (QDA) (Figura 1.2), descrita por Clark (1990), e métodos empíricos nos quais as medidas das forças necessárias para cisalhar, penetrar, extrudar, comprimir ou cortar um alimento são relacionadas a suas características de textura. Esses métodos foram revisados por Kilcast (1999), Rosenthal (1999), Lawless e Heyman (1998) e Brennan (1984). Exemplos de métodos instrumentais incluem o sistema Brabender, para medir a textura de massas ou a viscosidade de pastas de amido; penetrômetros de cone ou pino, para medir a taxa de estresse em margarinas ou a dureza de frutas; o texturômetro General Foods, que simula a mastigação pela compressão do alimento utilizando um êmbulo; e o equipamento Instron Universal Testing, que mede as forças de estresse e tensão por compressão e extensão. Métodos químicos incluem a medida do teor de amido ou pectina, e métodos microscópicos incluem microscopia eletrônica de emulsões ou da estrutura da carne de gado ou peixe. Esses Tempo de dissolução

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métodos são descritos detalhadamente por Sherman (1979), Prentice (1984), Bourne (1978), Brennan (1984), Kramer e Szczesniak (1973), Lewis (1990) e Bourne(1982). 1.2 TRANSFERÊNCIA DE MASSA A transferência de massa é um aspecto importante de um grande número de operações de processamento de alimentos: é um fator fundamental em extrações com solvente, destilação (Capítulo 13) e processos com membranas (Capítulo 6) e é um fator importante na perda de nutrientes durante o branqueamento (Capítulo 10). A transferência de massa de gases e vapores é um fator primário na evaporação (Capítulo 13), na desidratação (Capítulo 15), no forneamento e no cozimento (Capítulo 16), na fritura (Capítulo 17) e na liofilização (Capítulo 22), é a razão de queimaduras durante o congelamento (Capítulo 21) e é a causa da perda de qualidade ali-

Textura firme

Textura grossa

Textura grossa

Textura mastigável

Textura borrachenta

Textura escorregadia

Textura granulada

Taxa de dissolução Textura desaparece

Textura farinhenta

Textura pegajosa

Gel de amido Goma gelana Goma xantana / guar FIGURA 1.2

Clark, 1990.)

Exemplo de avaliação de textura utilizando análise descritiva quantitativa. (Adaptada de

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mentar em alimentos refrigerados, mantidos em A taxa de difusão é encontrada utilizando: atmosfera modificada e embalados (Capítulos 19, N A = DW / RT x . PT / P Am . ( Pw1 – P w2) 1.7 20 e 24, respectivamente). De forma análoga à transferência de calor -1) -1 (Seção 1.4), os dois fatores que influenciam a onde N A (kg s ou (kmol s ) = taxa de difutaxa da transferência de massa são a força são, D w = coeficiente de difusão do vapor ar, R = constante dos gases (= 8,134 motora que move os materiais e a resistência ao d’água no -1 -1 = seu fluxo. Ao considerar sólidos dissolvidos em kJ/kmo K ), T (K) = temperatura, x (m) -2 PT(kN m ) = líquidos, a força motriz é a diferença na con- largura da camada estacionária, -2 centração de sólidos, ao passo que para gases e pressão total, P Am (kN m ) = pressão média pela camada estacionária e vapores é a diferença na pressão parcial ou pres- do gás não-difusor -2 são de vapor. A resistência surge do meio atra- P w1 – P w2 (kN m ) = força motriz da pressão vés do qual o líquido, gás ou vapor se move e de do vapor d’água. Fórmulas para a difusão de solutos atraqualquer interação entre o meio e o material. Um exemplo de transferência de massa é vés de líquidos e para gases dissolvidos em lía difusão de vapor d’água por uma camada li- quidos são fornecidas por Lewis (1990) e mite de ar em uma operação como desidrata- Toledo (1999). ção, forneamento, etc. A embalagem também cria camadas limites adicionais que atuam Balanços de massa como barreiras ao movimento da umidade e à A lei de conversão de massa estabelece transferência de calor (Figura 1.3). que “a massa de material entrando em um sistema é igual à massa de material saindo”. Isso tem aplicação, por exemplo, na mistura (Capítulo 5), na fermentação (Capítulo 7) e na evaEmbalagem poração (Capítulo 13). Geralmente, um balanço de massa para um processo toma a seguinte forma: massa de matérias-primas entrando = massa de produtos e resíduos saindo + massa de material armazenado + perdas

Ar

Ar Alimento Filmes limites

Barreiras da embalagem à transferência de massa e ao fluxo de calor. FIGURA 1.3

Muitos balanços de massa são analisados em condições de estado estacionário, no qual a massa de material armazenado e as perdas são iguais a zero. Os balanços de massa são utilizados para calcular as quantidades de material em diferentes linhas de processo e para projetar processos e para calcular formulações, a composição após mistura, rendimentos de processo e eficiências de separação. Um balanço de massa típico está mostrado na Figura 1.4.


35

Aqui o balanço de massa total é: W + A = ar úmido + D

O balanço de massa para o ar é: A + umidade = ar úmido

Ar úmido

Ar (A) Ar

Umidade

Sólidos Massa úmida (W)

FIGURA 1.4

Massa assada (D)

Diagrama de fluxo de materiais durante o assamento em forno.

O balanço de massa para os sólidos é: W = ar úmido + D

Exemplos de cálculos de balanço de massa são mostrados no Capítulo 13 (Problemaexemplo 13.3) e Capítulo 15 (Problema-exemplo 15.2).

Em aplicações envolvendo concentração ou diluição, o uso da fração mássica ou porcentagem em peso é freqüentemente utilizado: Fração mássica A =

massa do componente A massa total da mistura

ou Massa total da mistura =

massa do componente A fração mássica de A


Calcule o balanço de massa total e o balanço de massa dos componentes para a mistura de ingredientes para produzir 25 kg de salsichas com um teor de gordura de 30%, utilizando carne de gado fresca e gordura de gado. Tipicamente, a carne de gado contém 18% de proteína, 12% de gordura e 68% de água, e a gordura de gado contém 78% de gordura, 12% de água e 5% de proteína. Solução do Problema-exemplo Considerar F = massa de gordura de gado (kg) Considerar M = massa de carne de gado (kg)

Carne (M ) 18% de proteína, 12% de gordura e 68% de água

Gordura (78% de gordura, 12% de água, 5% de proteína) (F ) Salsichas (S ) (25 kg, 30% de gordura) Cutter

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P. J. FELLOWS

Balanço de massa total M + F = 25

Balanço de gordura 0,12 M + 0,78F = 0,3 (25) Substituindo M = 25 – F no balanço de gordura 0,12 (25 – F ) + 0,78 F = 7,5 3,0 – 0,12 F + 0,78 F = 7,5 = 6,82 kg E M = 25 – 6,82

= 18,18 kg

Se o peso do componente e sua fração ingredientes no lado esquerdo e o teor de gormássica são conhecidos, a massa total da mistu- dura do produto no centro. Segundo o quadrara pode ser determinada. Cálculos computado- do, pela subtração diagonal, as proporções rerizados de formulações são descritos no Capítu- sultantes de leite e creme de leite podem ser lo 2 (Seção 2.2.1). encontradas (i.e., 10 partes de leite e 6,5 partes Um método simples para calcular a massa de creme, na Figura 1.5). Um método alternatirelativa de dois materiais necessários para uma vo é utilizar o balanço total e o balanço de gormistura de composição conhecida é o quadrado dura (veja Problema-exemplo 1.2). Toledo de Pearson (Anon., 1996). Se, por exemplo, lei- (1999) descreve a aplicação de balanços de maste homogeneizado (3,5% de gordura) é mistu- sa em processamentos de múltiplos estágios e rado com creme de leite (20% de gordura) para inclui um programa de computador para o uso produzir um creme de leite light com 10% de de balanços de massa em formulação de receigordura, o quadrado de Pearson (Figura 1.5) é tas. Outro exemplo do uso do quadrado de construído com a composição de gordura dos Pearson é mostrado no Problema-exemplo 1.3. Leite

3,5

10

10

20

6,5 Creme de leite

FIGURA 1.5

Quadrado de Pearson. (De Anon, 1996.)


1.3 FLUXO DE FLUIDOS Muitos tipos de alimentos líquidos são transportados por tubulações durante o processamento, e pós e pequenas partículas são manuseados mais facilmente do que fluidos (por fluidização). Os gases obedecem às mesmas leis que os líquidos, e, para efeito de cálculos, são tratados como fluidos compressíveis. As propriedades de alguns fluidos selecionados são mostradas na Tabela 1.2. O estudo dos fluidos é, portanto, de grande importância no processamento de alimentos, sendo dividido em estática de fluidos (fluidos estáticos) e dinâmica de fluidos (fluidos em movimento). Uma propriedade dos líquidos estáticos é a pressão que eles exercem no recipiente que os contém. Esta está relacionada com a densidade do líquido e a altura de sua massa no recipiente. Os líquidos na base de um recipiente estão a uma pressão maior do que os na superfície, por causa do peso do líquido acima deles (a pressão hidrostática). Essa é uma importante característica para o projeto de tanques de contenção ou armazenagem e processamento, de forma a garantir que o recipiente seja construído com materiais de resistência adequada. Uma grande pressão hidrostática também afeta o ponto de ebuli-

37

ção de líquidos, o que é essencial para o projeto de alguns tipos de evaporadores (Capítulo 13). Quando um líquido passa por encanamentos ou equipamentos de processamento existe perda de energia e queda na pressão devido à resistência friccional ao fluxo. Essa perda pela fricção e as alterações nas energias potencial, cinética e de pressão são descritas em detalhes nos textos de engenharia de alimentos referenciados no início deste capítulo e por Loncin e Merson (1979). A perda de pressão nos canos é determinada por vários fatores, incluindo a densidade e a viscosidade do fluido, o comprimento e o diâmetro do cano e o número de curvas, válvulas, etc., na tubulação. Para superar essa perda de energia é preciso, utilizando bombas para transportar o fluido, aplicar uma força necessária que é determinada pela viscosidade do fluido (Seção 1.1.2), pelo tamanho dos canos, pelo número de cur vas e conexões e pela altura e distância que o fluido deve ser transportado. Para calcular o balanço de energia quando um líquido circula por uma tubulação, o efeito das válvulas e curvas na taxa de fluxo ou a pressão produzida pela bomba, utiliza-se a equação de Bernoulli, que demonstra a conservação de energia.


Use o quadrado de Pearson para calcular a quantidade de suco de laranja (10% de açúcar) e xarope (60% de açúcar) necessária para produzir 50 kg de refresco de fruta contendo 15% de açúcar. Solução do Problema-exemplo 1.3

Suco de laranja 10

45

15

60

5 Xarope

O resultado indica que 45 kg de suco de laranja devem ser misturados com 5 kg de xarope.

38

P. J. FELLOWS

P1 ρ1

+ v21 = z1 g = P2 + v22 + z2 g ρ2 2 2

1.8

z1

onde P(Pa) = pressão, r (kg m-3) = densidade do fluido, g (= 9,81 m s-1) = aceleração da gravidade, v (m s-1) = velocidade do fluido e z (m) = altura. O subscrito 1 indica a primeira posição na tubulação e o subscrito 2, a segunda.

v1

A

v2

B z2

Aplicação da equação de Bernoulli ao fluxo de fluido sem fricção. FIGURA 1.6


Uma solução de sacarose a 20% passa de um tanque de mistura a 50 kPa através de um cano horizontal de 5 cm de diâmetro a 25 m 3 h-1. Se o diâmetro do cano for reduzido para 3 cm, calcule a nova pressão no cano. (A densidade da solução de sacarose é 1.070 kg m -3 [Tabela 1.2].) Solução para o problema-exemplo 1.4

Taxa de fluxo =

25 3.600 m3 s-1

= 6,94 x 10-3 m3 s-1 π

Área do cano 5 cm de diâmetro = 4 D2 3,142 = (0,05)2 4 = 1,96 x 10-3 m2 6,94 x 10-3 Velocidade de fluxo = 1,96 x 10-3 = 3,54 m s-1 Área do cano de 3 cm de diâmetro = 7,07 x 10 –4 m2 Velocidade de fluxo =

6,94 x 10-3 7,70 x 10-4

= 9,81 m s-1 Usando a Equação 1.8 P 1 + v 12 = z 1g = P 2 + v 22 + z 2g ρ1 ρ2 2 2

3,542 + 50 x 10-3 + 0 = P 2 + 9,812 + 0 2 1.070 1.070 2 Portanto,

P 2 = 56.656 Pa

= 56,7 kPa


39

Filme limite

(a)

Velocidade

(b)

Filme limite (c) FIGURA 1.7

turbulento.

Fluxo de fluidos: (a) distribuição de velocidade e camada limite; (b) fluxo laminar; (c) fluxo

Em qualquer sistema em que exista um fluxo de fluidos, há um filme limite (ou filme superficial) de fluido junto à superfície sobre a qual o fluido escorre (Figura 1.7a). A espessura do filme limite é influenciada por uma série de fatores, incluindo a velocidade, a viscosidade, a densidade e a temperatura do fluido. Os fluidos que possuem baixa taxa de fluxo ou alta viscosidade podem ser considerados uma série de camadas que se movem umas sobre as outras sem se misturar (Figura 1.7b). Isso produz o movimento do fluido, que é denominado de fluxo laminar. Em um cano, sua velocidade é maior no centro e inexistente nas paredes. Acima de uma certa taxa de fluxo, que é determinada pela natureza do fluido e do cano,

as camadas misturam-se, e estabelece-se um fluxo turbulento (Figura 1.7c) no seio do fluido, apesar de o fluxo permanecer laminar na camada limite. Os fluxos maiores produzem mais turbulência e, portanto, uma camada limite mais fina. O fluxo de fluidos é caracterizado por um número adimensional (Apêndice D) denominado número de Reynolds (Re). Ele é calculado utilizando ρ Re = Dv μ

1.9

onde D (m) = diâmetro do cano, v (m s-1) = velocidade média, ρ (kg m-3) = densidade do fluido e μ (N s m-2) = viscosidade do fluido.

40

P. J. FELLOWS

Um número de Reynolds menor que 2.100 Em fluxo turbulento, as partículas do fluicaracteriza um fluxo laminar, e maior que 4.000, do movimentam-se em todas as direções, e os um fluxo turbulento. Para números de Reynolds sólidos são mantidos em suspensão mais facilentre 2.100 e 4.000, tem-se um fluxo de transi- mente. Isso reduz a formação de depósitos em ção, que pode ser tanto laminar ou turbulento trocadores de calor e evita a deposição de sóliem momentos diversos. Essas diferentes carac- dos na tubulação. O fluxo laminar produz uma terísticas de fluxo possuem implicações impor- variação mais ampla do tempo de residência tantes para a transferência de calor e operações para as partículas individuais fluindo em um de mistura; o fluxo turbulento produz uma ca- tubo. Isso é especialmente importante para o mada limite mais fina, que permite taxas maio- cálculo do tempo de residência necessário para res de transferência de calor. As implicações o tratamento térmico de alimentos líquidos, uma desse fenômeno para o projeto e desempenho vez que é preciso garantir que todas as partes de equipamentos são discutidas nos Capítulos do alimento recebam a quantidade de calor de11 a 13 e 17 (para líquidos em tubos ou sobre terminada. Esse aspecto é discutido em mais placas de metal). O número de Reynolds tam- detalhes em relação ao aquecimento ôhmico bém pode ser usado para determinar a potência (Capítulo 18). O fluxo turbulento causa maionecessária de bombas e misturadores utilizados res perdas por fricção que o fluxo laminar e, para operações de mistura (Capítulo 5). portanto, requer maior energia das bombas.


Dois fluidos, leite e óleo de colza, são escoados por tubulações de mesmo diâmetro (5 cm) a 20 °C e na mesma velocidade de 3 m s-1. Determine se o fluxo de cada fluido é laminar ou turbulento. (As propriedades físicas do leite e do óleo de colza são aparentadas na Tabela 1.2.) Solução do Problema-exemplo 1.5

Pela Tabela 1.2, para o leite, μ = 2,10 x 10-3 N s m-2 e ρ = 1.030 kg m-3. Pela Equação 1.9, Re =

Dv ρ μ

Portanto, Re = 0,05 x 3 x 1.030 2,1 x 10-3 = 73.571 Logo, o fluxo é turbulento (porque Re é maior que 4.000). Para o óleo de colza, pela Tabela 1.2, μ = 118 x 10-3 N s m-2 e ρ = 900 kg m-3. Portanto Re =

0,05 x 3 x 900 118 x 10-3

= 1.144 Logo, o fluxo é laminar (porque Re é menor que 2.100).

41


1.3.1 Fluxo de fluidos através de leito fluidizado

vf =

( ρs – ρ) g μ

d2 ε3

180 (1 – ∈)

1.10

-1 Quando o ar passa de baixo para cima atra- onde v-3 f (m s ) = velocidade de fluidização, ρs ρ vés de um leito de alimentos, as partículas cri- (kg m -3) = densidade das partículas sólidas, -2 am uma resistência ao fluxo de ar e reduzem a (kg m ) = densidade do fluido, -2 g (m s ) = área disponível para o fluxo através do leito. aceleração da gravidade, μ (N s m ) = viscosiCom o aumento da velocidade do ar, atinge-se dade do fluido, d (m) = diâmetro das partícuum ponto no qual o peso do alimento é balan- las, ε = volume vazio do leito. Fórmulas para alimentos de outras formas ceado pela força do ar, e o leito torna-se fluidizado (p. ex., secagem em leito fluidizado são descritas por Kunii e Levenspiel (1969). A [Capítulo 15]). Se a velocidade é aumentada velocidade mínima do ar necessária para transainda mais, o leito torna-se mais aberto (o volu- portar partículas é encontrada utilizando: me vazio aumenta), até que, eventualmente, as 4d ( ρs – ρ) partículas são transportadas na corrente de flu- ve = 1.11 3C d ρ xo (p. ex., separação [Capítulo 3]), secagem [Capítulo 15] ou transporte pneumáticos [Capítulo 26]). A velocidade do ar necessária para onde ve (m s-1) = velocidade mínima do ar e C d atingir a fluidização de partículas esféricas é (= 0,44 para Re = 500 – 200.000) = coeficiencalculada utilizando: te de arraste.


Ervilhas com um diâmetro médio de 6 mm e densidade de 880 kg m -3 são secas em um secador de leito fluidizado (Capítulo 15). O volume vazio mínimo é 0,4 e a área transversal do leito é 0,25 m2. Calcule a velocidade mínima do ar necessária para fluidizar o leito se a densidade do ar for 0,96 kg m-3 e a viscosidade do ar é 2,15 x 10-5 N s m-2. Solução para o Problema-exemplo 1.6

Da Equação 1.10,

v f =

(880 – 0,96) 9,81 2,15 x 10-5

(0,006)2 (0,4)3 180 (1-0,4)

= 8,5 m s-1

1.4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR A maioria das operações unitárias no processamento de alimentos envolve a transferência de calor do alimento ou para ele. Existem três formas nas quais o calor pode ser transferido: por radiação, por condução e por convecção. A radiação, descrita em detalhes no Capítulo 18, é a transferência de calor por ondas eletromagnéticas (veja Capítulo 18, Figura 18.1), por exemplo, em um grill elétrico. A condução é o movimento de calor pela transferên-

cia direta de energia molecular dentro dos sólidos (p. ex., através de recipientes de metal ou alimentos sólidos). A convecção é a transferência de calor por grupos de moléculas que se mo vem como resultado de diferenças na densidade (p. ex., em ar aquecido) ou como resultado da agitação (p. ex., em líquidos agitados). Na maioria das aplicações, os três tipos de transferência de calor ocorrem simultaneamente, mas um tipo pode ser mais importante que os demais em algumas aplicações. Mais detalhes são fornecidos por Hayhurst (1997).

42

P. J. FELLOWS

1.4.1 Balanços de energia Em um balanço de energia, “a quantidade de calor ou energia mecânica entrando em um processo = energia total saindo com os produtos e resíduos + energia armazenada + energia perdida para o ambiente”. Se as perdas de calor são minimizadas, as perdas de energia para o ambiente podem ser ignoradas para soluções aproximadas no cálculo, por exemplo, da quantidade de vapor, ar quente ou refrigerante necessária. Para soluções mais precisas, devem ser feitas compensações para as perdas de calor. 1.4.2 Mecanismos da transferência de calor A transferência de calor estacionária ocorre quando existe uma diferença de temperatura constante entre dois materiais. A quantidade de calor entrando em um material é igual à quantidade de calor saindo, e não há mudança de temperatura do material. Isso acontece, por exemplo, quando o calor é transferido através das paredes de uma câmara fria, se a temperatura da câmara e do ambiente são constantes (Capítulo 19), e em processos contínuos, após a estabilização das condições de operação. No entanto, na maioria das aplicações de processamento de alimentos, a temperatura do alimento e/ou do meio de aquecimento ou resfriamento está mudando constantemente, e a transferência de calor não-estacionária é a mais freqüente. Os cálculos da transferência de calor sob essas condições são extremamente complicados, mas são simplificados por uma série de considerações e pelo uso de tabelas e modelos computacionais para alcançar soluções aproximadas (Toledo, 1999). Condução estacionária

A taxa de calor transferida por condução é determinada pela diferença de temperatura entre o alimento e o meio de aquecimento ou resfriamento e a resistência total à transferência de calor. A resistência à transferência de calor é expressa como a condutância do mate-

rial ou, mais comumente, como sua recíproca, que é denominada de condutividade térmica. As condutividades térmicas de alguns materiais encontrados no processamento de alimentos são mostradas nas Tabelas 1.2 e 1.5. Sob condições estacionárias, a taxa de transferência de calor é calculada utilizando: Q=

kA (θ1 – θ2) x

1.12

onde Q (J s-1) = taxa de transferência de calor, k (J m-1 s-1 K -1 ou W m-1 K -1) = condutividade térmica, A (m-2) = área superficial, θ1-θ2 (ºC ou K) = diferença de temperatura e x (m) = espessura do material. A razão (θ1-θ2)/ x também é conhecida como gradiente de temperatura. Apesar de, por exemplo, o aço inoxidável conduzir 10 vezes menos calor do que o alumínio (Tabela 1.5), a diferença é pequena comparada com a baixa condutividade térmica dos alimentos (20 a 30 vezes menor do que a do aço) e não limita a taxa de transferência de calor. O aço inoxidável é muito menos reativo que qualquer outro metal, particularmente em relação a alimentos ácidos, e é, por essa razão, usado na maioria dos equipamentos de processamento que entram em contato com o alimento. A condutividade térmica dos alimentos é influenciada por uma série de fatores relacionados com a natureza do alimento (p. ex., estrutura da célula, quantidade de ar preso entre as células e teor de umidade) e com a temperatura e a pressão do ambiente. A redução do teor de umidade causa uma diminuição substancial na condutividade térmica, o que tem implicações importantes nas operações unitárias envolvendo a condução de calor pelo alimento para a remoção de água (p. ex., na secagem [Capítulo 15], na fritura [Capítulo 17] e na liofilização [Capítulo 22]). Na liofilização, a condutividade térmica do alimento também é influenciada pela redução da pressão atmosférica. O gelo possui uma condutividade térmica maior do que a água, o que é importante na determinação da taxa de congelamento e descongelamento (Capítulo 21). (Um problema-exemplo indicando a importância da condutividade térmica é mostrado no Capítulo 17.)


TABELA 1.5

43

Condutividade térmica de alguns alimentos e outros materiais

Tipo de material

Condutividade térmica (W m-1 K-1)

Materiais de construção

Alumínio Cobre Aço inoxidável Outros metais Tijolo Concreto

0 0 20 0 20 20

0,17 0,56 0,01-0,04 1,30 0,48 1,66 0,56 0,41 0,80 0,80 0,96 2,25 0,57

20 20 0 –10 3,8 –10 20 0-15 –12,1 –6,6 –8 0 0

0,07 0,52 0,55 0,29

20 20 20 20

0,036 0,026 0,026-0,052

0 0 30

Azeite de oliva a Leite integral a Alimentos liofilizados Carne congelada b Porco (magro) b Bacalhau congelado Suco de maçã Laranja Vagens Couve-flor Ovo Gelo Água a

Materiais de embalagem

Cartolina Vidro Polietileno Cloreto de polivinila (PVC) Espuma de poliestireno Espuma de poliuretano Outros tipos

°

220 388 21 45-400 0,69 0,87

Alimentos

Materiais de isolamento

Temperatura da medida ( C)

Presumindo que correntes de convecção estejam ausentes. Fluxo de calor paralelo às fibras. De Earle (1983), Lewis (1978) e Woodams e Nowrey (1968). a b

Exemplos de calor específico de alimentos são dados nas Tabelas 1.2 e 1.6. A difusiviDurante o processamento, a temperatura dade térmica está relacionada com a condutiem um determinado ponto dentro do alimen- vidade térmica, com o calor específico e com a to depende da taxa de aquecimento ou densidade de um alimento por: resfriamento e da posição no alimento. Portanto, a temperatura altera-se continuamente. Os fatores que influenciam as mudanças de tem- a = k 1.13 ρc peratura são: Condução não-estacionária

• a temperatura do meio de aquecimen- onde a (m2 s-1) = difusividade térmica, ρ (kg to; m-3) = densidade, c (J kg-1 K -1) = capacidade • a condutividade térmica do alimento; e térmica específica e k (W m -1 K -1) = conduti• o calor específico do alimento. vidade térmica.

44

P. J. FELLOWS

TABELA 1.6

Alimento/ material Alumínio Maçãs Maçãs Bacalhau Bacalhau Cobre Gelo Cordeiro Cordeiro Batatas Batatas Aço inoxidável Água Vapor d’água

Calor específico de alguns alimentos e outros materiais

Calor específico (kJ kg -1 K-1) 0,89 3,59 1,88 3,76 2,05 0,38 2,04 2,80 1,25 3,43 1,80 0,46 4,18 20,5

Temperatura ( C) °

20 Ambiente Congelamento Ambiente Congelamento 20 0 Ambiente Congelamento Ambiente Congelamento 20 15 100

Adaptada de dados de Peleg e Bagley (1983), Jowitt et al. (1983) e Polley et al. (1980).

A equação básica para a transferência de calor não-estacionária em uma única direção ( x ) é: dθ k d2 θ = dt ρc d x 2

1.14

onde dθ /dt = alteração da temperatura com o tempo. Exemplos de soluções para essa equação para formas simples (p. ex., uma fatia, cilindro ou esfera) são descritos por Earle (1983), Jackson e Lamb (1981) e Loncin e Merson (1979). Convecção

Quando um fluido tem sua temperatura alterada, as modificações resultantes na densidade estabelecem correntes naturais de convecção. Exemplos incluem evaporadores de circulação natural (Capítulo 13), movimento do ar em freezers (Capítulo 21) e movimento de líquidos dentro de latas durante a esterilização (Capítulo 12). A convecção forçada acontece quando um misturador ou ventilador é utilizado para agitar o fluido. Isso reduz a espessura do filme limite para produzir taxas mais altas de transferência de calor e uma redistribuição mais rápida da temperatura. Conseqüentemente, a convecção forçada é mais comumente empregada que a convecção natural no processamento de alimentos, tendo

como exemplos misturadores (Capítulo 5), secadores de leito fluidizado (Capítulo 15), congeladores com jato de ar (air blast) (Capítulo 21) e líquidos bombeados através de trocadores de calor (Capítulos 11 a 13). Quando líquidos ou gases são usados como meio de aquecimento ou resfriamento, a taxa de transferência de calor do fluido para a superfície do alimento é encontrada utilizando:

Q = h s A (θ b – θ s)

1.15

onde Q (J s-1) = taxa de transferência de calor, A (m2) = área superficial, θ s (K) = temperatura da superfície, θ b (K) = temperatura no seio do fluido e hs (W m-2 K -1) = coeficiente de transferência de calor da superfície (ou filme). O coeficiente de transferência de calor super ficial é a medida da resistência ao fluxo de calor causada pelo filme limite, e é, portanto, equivalente ao termo k/x na equação da condução (Equação 1.12) (Polley et al., 1980). Ele é maior no fluxo turbulento que no laminar. Valores típicos de hs são apresentados na Tabela 1.7. Esses dados indicam que a transferência de calor pelo ar é menor do que através de líquidos, e taxas de transferência maiores são obtidas por ar em movimento quando comparadas com ar parado. Trocadores de calor maiores são, portanto, necessários quando o ar é


TABELA 1.7

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Valores de coeficientes de transferência de calor superficial

Coeficiente de transferência de calor superficial h s (W m-2 K-1) Líquidos ferventes Vapor saturado condensante Vapor condensante Com 3% de ar Com 6% de ar Amônia condensante Líquido fluindo em canos Baixa viscosidade Alta viscosidade Ar em movimento (3 m s-1) Ar parado

2.400 - 60.000 12.000 3.500 1.200 6.000 1.200 - 6.000 120 - 1.200 30 6

Aplicações típicas Evaporação Enlatamento, evaporação Processamento térmico Congelamento, resfriamento Pasteurização Evaporação Congelamento, cozimento Câmara fria

Adaptada de Loncin e Merson (1979) e Earle (1983).

utilizado para aquecimento (Capítulos 15 e 16) onde hc (W m-2 K -1) = coeficiente de transferênou resfriamento (Capítulos 19 e 21) compara- cia de calor por convecção na interface sólidodos àqueles necessários quando se usam líqui- líquido, D (m) = dimensão característica (comdos. O vapor condensante produz taxas de trans- primento ou diâmetro), k (W m-1 K -1) = condutiferência de calor maiores do que água quente vidade térmica do fluido, c p (J kg-1 K -1) = calor na mesma temperatura, e a presença de ar no específico a pressão constante, ρ (kg m-3) = den vapor reduz a transferência de calor. Isso tem sidade, μ (N s m–2) = viscosidade, g (m s-2) = importantes implicações no enlatamento (Ca- aceleração da gravidade, β (m m-1 K -1) = coefipítulo 12), uma vez que qualquer ar presente ciente de expansibilidade térmica, Δθ (K) = dino vapor pode diminuir a temperatura e conse- ferença de temperatura e v (m s-1) = velocidade. qüentemente diminuir a quantidade de calor Para o fluxo laminar através de canos, recebida pelo alimento. Tanto termômetros como medidores de pressão são necessários para Nu = 1,62 (Re Pr D )0,33 1.19 L verificar se o vapor está saturado. O coeficiente de troca térmica superficial onde L (m) = comprimento do cano, quando está relacionado com as propriedades físicas Re Pr D/L > 120 e todas as propriedades físide um fluido (p. ex., densidade, viscosidade, cas são medidas na temperatura média da calor específico), a gravidade (que causa a cir- massa de fluido. culação devido às mudanças de densidade), o Para o fluxo turbulento através de canos, gradiente de temperatura e o comprimento ou diâmetro do recipiente sob investigação. As Nu = 0,023 (Re) 0,8 (Pr)n 1.20 fórmulas que relacionam esses fatores são expressas como números adimensionais (Apên- onde n = 0,4 para aquecimento ou n = 0,3 para resfriamento. Quando Re > 10.000, a visdice D) da seguinte forma: cosidade é medida na temperatura média do filme e as outras propriedades são medidas na h D c 1.16 Número de Nusselt Nu = temperatura média da massa de fluido. k O número de Grashof é utilizado para a c μ convecção natural, quando não existe turbu1.17 Número de Prandtl Pr = p k lência no fluido. Fórmulas para outras condições de fluxo e diferentes vasos são descritas D3 ρ 2 g β Δθ por Loncin e Merson (1979), Jackson e Lamb Número de Grashof Gr = 1.18 2 μ (1981) e Earle (1983).

46

P. J. FELLOWS


O leite integral é resfriado em um trocador de calor tubular de 30 a 10 °C, com água a 1 °C. O diâmetro do tubo é 5 cm, e a velocidade do fluxo do leite é 1,0 m s-1. Calcule o coeficiente de transferência de calor para o leite utilizando as propriedades físicas descritas na Tabela 1.2. Solução para o Problema-exemplo 1.7

Temperatura média da massa =

30 + 10 2

= 20°C Da Tabela 1.2, ρ = 1.030 kg m-3, c = 3,9 kJ kg-1 °K-1 E k = 0,56 W m-2 °K-1.

Se Re > 10.000, a viscosidade deve ser medida na temperatura média. Temperatura média do filme =

1 + 12 (30 + 10) 2

= 10,5°C Para leite a 10,5°C , μ = 2,8 x 10-3 N s m-2. Da Equação 1.9, Re =

Dv ρ μ

= 0,05 x 1,0 x 1.030 2,8 x 10-3 = 18.393 Da Equação 1.17, Pr = c p μ k

=

(3,9 x 103) (2,8 x 10-3) 0,56 = 19,5 Das Equações 1.16 e 1.20, Nu =

h c D k

= 0,023 (Re)0,8 (Pr)0,33 Portanto, k 0,8 0,33 D (Re) (Pr) . 0,56 = 0,023 0,05 (18.393)0,8 (19,5)0,33

h c = 0,023

= 1.768 W m-2 °K-1


47

A maioria dos casos de transferência de As temperaturas desconhecidas da parede calor no processamento de alimentos envolve a θ 2 e θ 3 não são necessárias, e todos os fatores transferência através de diferentes materiais. para resolver a equação podem ser medidos. Como exemplo, um trocador de calor tubular O somatório das resistências ao fluxo de de um fluido quente, através da parede de um calor é denominado coeficiente global de transrecipiente para um segundo fluido é mostrada ferência de calor (CGTT) U , e a taxa da transfena Figura 1.8. rência de calor pode ser expressa como: A diferença de temperatura global é en1.22 Q = UA (θ a – θ b) contrada utilizando:

θ a – θ b =

Q A

(

1 x ha k

+

1 hb

)

1.21

O CGTT é um termo importante que é utilizado, por exemplo, para indicar a efetividade do aquecimento ou do resfriamento em diferentes tipos de equipamentos de processo. Alguns exemplos são mostrados na Tabela 1.8. Filmes limites Metal

a r u t a r θ e a p m e T

θ1 θ2 θb θ3

Quente

Frio Distância

Mudanças de temperatura de um líquido quente para um líquido frio através das paredes de um recipiente. FIGURA 1.8

TABELA 1.8

Coeficiente global de troca térmica (CGTT) no processamento de alimentos

Fluidos de transferência de calor Água quente – ar Líquido viscoso – água quente Líquido viscoso – água quente Líquido viscoso – vapor Líquido não-viscoso – vapor Gás fluido – água Amônia evaporante – água Adaptada de Lewis (1990).

Exemplo

CGTT (W m-2 K-1)

Aquecedor a ar Vaso encamisado Vaso encamisado agitado Evaporador Evaporador Caldeira Unidade de refrigeração de água

10-50 100 500 500 1.000-3.000 5-50 500

48

P. J. FELLOWS

Os líquidos podem fluir na mesma direção ou em direções opostas em um trocador de calor. O fluxo contracorrente de líquidos (Figura 1.9) tem uma eficiência de transferência térmica maior do que o paralelo e é, por essa razão, amplamente empregado em trocadores de calor (para exemplos, veja Capítulos 10 a 21). No entanto, a diferença de temperatura varia em diferentes pontos do trocador e é necessário usar uma média logarítmica das diferenças de temperatura nos cálculos (Equação 1.23): Δθ m =

Δθ 1 – Δθ 2

In (Δθ 1 / Δθ 2)

1.23

onde θ 1 é maior do que θ 2. Problemas-exemplo relacionados a esse aspecto são mostrados nos Capítulos 11, 13 e 15. O tempo de aquecimento no processamento em batelada é encontrado utilizando: t=

mc UA

ln

(

– θ i θ h – θ f θ h

)

1.24

onde m (kg) = massa, c (J kg-1 ºK -1) = capacidade de calor específica, θ n (ºC) = temperatura do meio de aquecimento, θ i (ºC) = temperatura inicial θ f (ºC) = temperatura final, A (m2) = área superficial e U (W m-2 K -1) = CGTT.


No trocador de calor em contracorrente mostrado na Figura 1.9, o leite é resfriado de 73 a 38°C a uma taxa de 2.500 kg h-1 utilizando água a 15°C, que deixa o trocador de calor a 40 °C. A tubulação de 2,5 cm de diâmetro é construída em aço inox de 3 mm de espessura; os coeficientes de troca térmica superficial são 1.200 W m -2 K-1 pelo lado do leite e 3.000 W m -2 K-1 pelo lado da água. Calcule o CGTT e o comprimento de cano necessário. Solução do Problema-exemplo 1.8

Para encontrar o CGTT, a partir das Equações 1.21 e 1.22, 1 U

1

=

=

h a

+

x k

+

1 h b

1 3 x 10-3 1 + + 1.200 21 3.000

= 1,3 x 10-3 Portanto, o CGTT é U = 769,2 W m-2 °K-1

Para encontrar o comprimento de cano necessário, procede-se da forma a seguir. Das Equações 1.22 e 1.23, Q = UAΔθ m

E Δθ m

=

– Δθ 2 ln (Δθ 1 – Δθ 2)

=

(73 – 40) / (38 - 15) ln[(73 – 40) / (38-15)]

Δθ 1

= 27,8°C


Agora Q é o calor removido do leite que é igual mc p ( θa - θb ). Da Tabela 1.2, cp = 3,9 kJ kg-1 °K-1. Portanto, Q =

2.500 (3,9 x 103) (73 - 38) 3.600

= 9,48 x 104 J Agora a área é A=

=

Q U Δθ m

9,48 x 104 769,2 x 27,8

= 4,4 m2 Além disso, A = π DL

Portanto, o comprimento do tubo é L=

=

A π D

4,4 = 56 m 3,142 x 0,025

θ2

θ1

θ2 θ1

θ1

θ2

θ2

Paralelo FIGURA 1.9

Contracorrente

Fluxos paralelo e de contracorrente em um trocador de calor.

49

50

P. J. FELLOWS

zando a Equação 1.24, empregando o coeficiente de transferência de calor do filme hs em vez de U . No entanto, na maioria das aplicações a condutividade térmica do alimento é o fator limitante à taxa de transferência de calor (Bi > 0,2). Esses cálculos são complexos, e uma série de gráficos está disponível para a resolução das equações para alimentos de formas simples (Figura 1.10). Tais gráficos relacionam o número de Biot (Bi) (Equação 1.25), o fator temperatura (a fração da mudança de temperatura que permanece a ser atingida [Equação 1.26]) e o número de Fourier Fo (número adimensional que relaciona a difusividade térmica, o tamanho do pedaço e o tempo de aquecimento ou resfriamento [Equação 1.27]).

Transferência de calor em estado não-estacionário por condução e convecção

Quando um pedaço sólido de alimento é aquecido ou resfriado por um fluido, as resistências à transferência de calor são o coeficiente de transferência de calor e a condutividade térmica do alimento. Esses dois fatores são relacionados pelo número de Biot Bi: Bi =

hδ k

1.25

onde h (W m-2 K -1) = coeficiente de troca térmica, δ = “meia dimensão” característica (p. ex., raio de uma esfera ou cilindro, meia espessura de uma fatia) e k (W m-1 K -1 ) = condutividade térmica. Em valores de Bi pequenos (menores que 0,2), o filme superficial é a principal resistência ao fluxo de calor, e o tempo necessário para aquecer o alimento sólido é encontrado utili-

I

F

θ θ

– – H

– θ f θ h – θ i

θ h

1.26

onde os subscritos h, f e i indicam, respectivamente, o meio de aquecimento, o valor final e o valor inicial.

1,0 0,8 0,6 0,4

10,0 6,0 4,0 3,0 2,0

H

θ θ

(a)

0,2 1,0 0,8 0,6 0,4

k 0 0,25 0,50 0,75 hr 0,10

4,0

2,0 1,0 1,5 0,75 0,50

0,2 (b)

k hl

0 0,10

1,0 0,8 0,6 0,4

1,0

0,25 10,0 6,0 4,0 3,0 2,0 1,5

0,2 (c)

1,5

1,0

k hr

0

0,2

0,25 0,50 0,4

0,6

0,8 k

0,75 1,0 1,0

1,2

1,4

t

c ρ δ 2

Gráfico para a transferência de calor em estado não-estacionário: (a) esfera; (b) fatia; (c) cilindro. (Conforme Henderson e Perry, 1955.) FIGURA 1.10


Fo =

k

t

c ρ

δ 2

1.27

Exemplos de cálculo de estado nãoestacionário são mostrados adiante e no Capítulo 19. Cálculos mais complexos são descri-


Ervilhas com um diâmetro médio de 6 mm são branqueadas para atingirem a temperatura de 85 °C no centro. A temperatura inicial das ervilhas é 15°C e a água de branqueamento está a 95 °C. Calcule o tempo necessário, considerando que o coeficiente de troca térmica é 1.200 W m -2 K-1 e que, para ervilhas, a condutividade térmica é 0,35 W m-1 K-1, o calor específico é 3,3 kJ kg -1 K-1 e a densidade é 980 kg m -3. Solução para o Problema-exemplo 1.9

Da Equação 1.25, h δ

Bi = k -3 = 1.200 (3 x 10 ) 0,35

= 10,3 Portanto, k = 0,097 h δ

Da Equação 1.26, θ h - θ f θ h - θ i

=

95 – 85 95 – 15

= 0,125 Do gráfico para a esfera (Figura 1.10), Fo = 0,32. Da Equação 1.27, Fo =

k

t

c ρ δ 2

= 0,32 Portanto, c ρδ 2 tempo t = 0,32 k

=

0,32 (3,3 x 103) 980 (3 x 10-3)2 0,35

= 26,6s

51

52

P. J. FELLOWS

tos por Lewis (1990), Earle (1983) e Jackson e Métodos de aquecimento direto Lamb (1981). Nos métodos de aquecimento direto, o calor e os produtos da queima do combustível estão em contato direto com o alimento. Exis1.4.3 Fontes de energia e métodos te um risco óbvio de contaminação do alimende aplicação em alimentos to pelos odores ou pela queima incompleta, O custo de energia para aquecimento tem- razão pela qual somente gás e, em menor esse tornado uma das principais considerações cala, combustíveis líquidos são usados. Aplicana seleção dos métodos de processamento e, ções incluem secadores de forno (Capítulo 15) ultimamente, no custo dos alimentos proces- e fornos para assar (Capítulo 16). Esses métosados e na lucratividade da operação. Diferen- dos diretos não devem ser confundidos com tes combustíveis têm vantagens específicas e injeção “direta” de vapor, na qual o vapor é limitações em termos de custo, segurança, ris- produzido em um local separado da planta de co de contaminação do alimento, flexibilidade processamento. A eletricidade não é um comde uso e custos de capital e de operação para o bustível da mesma forma que os outros tipos equipamento de transferência de calor. As se- recém-descritos. Ela é gerada por turbinas a guintes fontes de energia são utilizadas no vapor por um fluido primário (p. ex., carvão mineral ou óleo combustível) ou por hidreléprocessamento de alimentos: tricas ou fissão nuclear. No entanto, a energia elétrica também é usada diretamente no aque• Eletricidade • Gás (natural ou gás liquefeito de pe- cimento dielétrico ou por microondas (Capítulo 18). tróleo) • Óleo combustível Combustíveis sólidos (antracita, carvão mineral, lenha e carvão) são utilizados em pequena escala. As vantagens e as limitações de cada tipo de fonte de energia são mostradas na Tabela 1.9.

TABELA 1.9

Métodos indiretos

O resfriamento indireto de alimentos está descrito nos Capítulos 19 e 21. Métodos de aquecimento indiretos empregam um trocador de calor para separar o alimento dos produtos

Vantagens e limitações de diferentes fontes de energia para o processamento de alimentos

Energia por unidade de massa ou volume Custo por kJ de energia Custo do equipamento de troca térmica Eficiência do aquecimento d Flexibilidade de uso Perigo de fogo ou explosão Risco de contaminação do alimento Custo de mão-de-obra e manuseio

Eletricidade

Gás

Não aplicável Alto Baixo Alta Alta Baixo Baixo Baixo

Baixaa Baixo Baixo Moderada a alta Alta Alto Baixo Baixo

Combustível líquido Altab Baixo Alto Moderada a baixa Baixa Baixo Alto Baixo

Combustível sólido Moderada a altac Baixo Alto Baixa Baixa Baixo Alto Alto

O valor de aquecimento para o gás é 1,17 x 10 3 – 4,78 x 10 3 kJ kg-1. O valor de aquecimento para o óleo é 8,6 x 10 3 – 9,3 x 10 3 kJ kg-1. c O valor de aquecimento para o carvão mineral é 5,26 x 10 3 – 6,7 x 10 3 kJ kg-1 e para a madeira é 3,8 x 10 3 – 5,26 x 10 3 kJ kg-1. d A eficiência é definida como a quantidade de energia utilizada para aquecer o produto dividida pela quantidade de energia ornecida. Dados compilados de Farral (1979) e Whitmanm et al. (1981). a b


53

da combustão. Em sua forma mais simples, um que são mergulhados no alimento. Esses aquesistema indireto consiste de um combustível cedores são utilizados para aquecimento locaqueimando embaixo de uma placa de metal e lizado ou intermitente. Aquecedores por infrase aquecendo pela energia radiada da placa. O vermelho estão descritos no Capítulo 18. tipo mais comum de sistema de aquecimento indireto usado no processamento de alimentos é vapor ou água quente gerada em um tro- 1.4.4 Conservação de energia cador de calor (caldeira) afastado da área de Uma pesquisa em indústrias de alimenprocessamento. Um segundo trocador de calor transfere o calor do vapor para o alimento tos na União Européia encontrou uma grande sob condições controladas, ou o vapor é inje- variação no consumo de energia em diferentes tado no alimento. Uma variação desse sistema tipos de processamento; moinhos de trigo tienvolve um outro trocador de calor que trans- veram o menor gasto de energia (586 MJ por fere calor do vapor para o ar a fim de secar tonelada de produto), e o processamento de alimentos ou aquecê-los sob condições secas. cacau e chocolate teve o mais alto (8.335 MJ As vantagens do vapor para o aquecimento no por tonelada de produto) (Whitmann et al., processo e a descrição dos equipamentos utili- 1981). Uma comparação dos gastos de enerzados para a produção e manuseio de diferen- gia em diferentes tipos de processamento de tes tipos de vapor são descritas por Farall batatas é mostrada na Tabela 1.10. Em todos os tipos de processamento de ali(1979). As propriedades do vapor são discutidas por Brennan e colaboradores (1990) e mentos, a maior parte da energia (58%; variaToledo (1999) e as temperaturas do vapor ção de 40 a 80%) é utilizada para o processaturado são mostradas no Capítulo 12 (Tabe- samento propriamente dito, porém quantidades significativas são também empregadas para o la 12.6). O aquecimento elétrico indireto utiliza empacotamento (11%; variação de 15 a 40%), aquecedores com resistências ou aquecedores transporte (12%; variação de 0,56 a 40%), água por infravermelho. Aquecedores com resistên- de limpeza (15%) e armazenagem (até 85% do cias são fios de níquel-cromo contidos em pla- consumo geral de energia para alimentos congecas sólidas ou bobinas, que são conectadas às lados). Os combustíveis para caldeira contam paredes do recipiente em camisas flexíveis que como 8,6 a 97,2% do consumo total da fábrica, recobrem vasos ou em aquecedores de imersão, porém a utilização das caldeiras tem uma média

TABELA 1.10

Consumo comparativo de energia no processamento de batatas

Consumo de energia (MJ t -1) Secagem com ar quente Processamento Embalagem Armazenagem (Casa) Transporte Total

8 1 0,1 0 2 11

Apresentada em Kelford (1982).

Pouches

Liofilizada 42 2 0,1 0 2 46

Enlatada 6 14 0,1 0 8 28

autoclaváveis

Congelada

4 7 0,1 0 8 19

5 7 32 (24) 8 52

54

P. J. FELLOWS

de 45%, devido à prática de mantê-las em aque• isolamento apropriado de tubulações cimento baixo durante os períodos de baixa taxa de vapor e água quente; de produção (p. ex., turnos vesperais e notur• minimização de vazamentos de vapor; e nos). No entanto, em média, apenas metade do • encaixe de purgas de vapor. condensado é retornada à caldeira, e o calor conEquipamentos de processamento são protido nele é desperdiçado. Aproximadamente 40% do calor perdido nas fábricas estão contidos nos jetados com o propósito de economizar ener vapores e gases e outros 10 a 20% são perdidos gia. Exemplos incluem regeneradores de calor em trocadores de calor (Delashmit et al., 1983) em água quente (Whitman et al., 1981). Fica claro a partir desses e outros dados (exemplos nos Capítulos 10, 11, 16 e 17), sis(p. ex., Kefford, 1982) que, potencialmente, a temas de múltiplo efeito ou recompressão do maior economia de energia no processamento vapor (Capítulo 13) e descongelamento autode alimentos está associada à operação da cal- mático e isolamento adequado de equipamendeira, ao fornecimento de vapor ou ar quente tos de congelamento (Capítulos 19 a 21). O e à reutilização de calor dissipado. Uma audi- controle por microprocessadores de equipatoria de energia é usada para identificar áreas mentos de processo (Capítulo 2) é usado amespecíficas e equipamentos na fábrica onde se plamente para reduzir o consumo de energia. pode efetuar uma economia de energia A recuperação de calor do ar de secagem é mais (Boardman, 1986). Em resumo, a operação de difícil do que de vapores, porque o ar não é recompressível. No entanto, alguns projetos de caldeiras pode ser melhorada por: trocadores de calor são utilizados para recu• retorno do condensado como água de perar o calor perdido do ar ou de gases (p. ex., alimentação; a “polia térmica” na Figura 1.11). • preaquecimento de ar para a queima Aplicações comerciais desse equipamende combustível; to são descritas no Capítulo 15 (fornos de as• isolamento da caldeira; e sar) e no Capítulo 16 (fritadores). Se a umida• recuperação de calor dos vapores. de do ar é reduzida, ele é reaquecido com mais economia. A “polia rotatória” (Figura 1.12) e O controle computadorizado da operação as bombas de calor são exemplos de equipade caldeiras é descrito por Wells e Swientek mentos desumidificadores. Bombas de calor são (1983). A economia de energia no fornecimen- similares a plantas de refrigeração (veja Capíto de vapor para a área de processamento pode tulo 19, Figura 19.1) mas operam pela remoser alcançada por: ção de calor de uma fonte de baixa temperatu-

Duto de exaustão

Entrada de ar fresco Polia térmica Duto de fornecimento FIGURA 1.11

Polia térmica. (Cortesia do Electricity Council.)


ra, utilizando-a pra aquecer ar ou água. A aplicação de bombas de calor para a secagem de confeitos sob baixa temperatura é descrita por Anon. (1983a, b, c). O uso de lâminas de ar para a secagem de embalagens é descrita por Anon (1983d) e Beevers (1985). Outras técnicas de economia de energia durante a desidratação são descritas por Senhaji e Bimbenet (1984), Flink (1977) e Green (1982). 1.4.5 Efeitos do calor nos microrganismos O efeito preservativo do processamento com calor é devido à desnaturação de proteínas que destroem a atividade enzimática e os metabolismos controlados por enzimas nos microrganismos. A taxa de destruição é uma reação de primeira ordem; isto é, quando o alimento é aquecido a uma temperatura alta o suficiente para destruir microrganismos contaminantes, a mesma porcentagem morre em um determinado intervalo de tempo, independentemente do número presente no começo. Isso é conhecido como ordem logarítmica de morte e é descrito pela curva da taxa de letalidade (Figura 1.13). O tempo necessário para destruir 90% dos microrganismos (reduzir seu número por um fator de 10) é referido como tempo de redução

decimal ou valor D (5min na Figura 1.13). Valores de D variam para diferentes espécies

microbianas (Tabela 1.11), e um maior valor de D indica maior resistência ao calor. Existem duas implicações importantes que surgem com o tempo de redução decimal: em primeiro lugar, quanto maior for o número de microrganismos presentes na matéria-prima, mais tempo leva-se para reduzilos ao nível especificado. Em operações comerciais, o número de microrganismos varia em cada batelada de matéria-prima, mas é difícil recalcular o tempo de processamento para cada batelada de alimento. Portanto, utiliza-se uma combinação temperatura-tempo definida para processar todas as bateladas de um certo produto, e procedimentos adequados de preparação (Capítulo 3) são utilizados para garantir que a matéria-prima tenha uma qualidade microbiológica satisfatória e uniforme. Em segundo lugar, como a destruição microbiana ocorre logaritmicamente, em tese, é possível destruir todas as células somente após um aquecimento por tempo infinito. Assim, o processamento objetiva reduzir o número de microrganismos sobreviventes por uma quantidade predeterminada. Com isso, surge o conceito de esterilidade comercial, que é discutida mais profundamente nos Capítulos 10 a 12.

Vista do equipamento montado no telhado da sala de condicionamento Ar seco Ar de processo

Aquecedor de ar

Ar úmido

Ar de reativação

Detalhes da polia rotatória de Munters FIGURA 1.12

55

Polia rotatória. (Cortesia do Electricity Council.)

56

P. J. FELLOWS

1000

s e t n e v i v e r b o s s o r o p s e e d º N

100

10 D

1

0

5

10

15

Tempo de aquecimento (min) FIGURA 1.13

Curva da taxa de letalidade.

Propriedades térmicas de alguns componentes nutritivos e sensoriais dos alimentos em relação à resistência térmica de enzimas e microrganismos TABELA 1.11

Componente Tiamina Tiamina Tiamina Lisina Clorofila a Clorofila a Clorofila b Clorofila b Antocianina Betanina Carotenóides Peroxidase Peroxidase Clostridium botulinum,

esporos tipos A + B

Fonte

pH

Purê de cenoura Purê de ervilha Purê de cordeiro Farinha de soja Espinafre Espinafre Espinafre Espinafre Suco de uva Suco de beterraba Páprica Ervilhas Várias Vários

Bacillus stearothermophilus Vários

z (°C)

D 121

(min)

Faixa de temperatura (°C)

5,9 Natural 6,2 6,5 Natural 5,5 Natural Natural 5,0 Natural Natural – >4,5

25 27 25 21 51 45 79 59 23,2 58,9 18,9 37,2 28-44 5,5-10

158 247 120 786 13,0 34,1 14,7 48 17,8* 46,6* 0,038* 3,0 – 0,1-0,3*

109-149 121-138 109-149 100-127 127-149 100-130 127-149 100-130 20-121 50-100 52-65 110-138 – 104

>4,5

7-12

4,0-5,0

110+

* Valores de D em temperaturas diferentes de 121 C. Adaptada de Felliciotti e Esselen (1957), Taira et al . (1966), Gupta et al. (1964), Ponting et al. (1960), von Elbe et al. (1974), Adams e Yawger (1961), Esselen e Anderson (1956) e Stumbo (1973). °


A destruição dos microrganismos depende da temperatura; as células morrem mais rapidamente em temperaturas elevadas. Cotejando valores de D sob diferentes temperaturas, pode-se construir uma curva de tempo de destruição térmica (TDT) (Figura 1.14). A inclinação da curva de TDT é denominada valor z e definida pelo número de graus Celsius necessários para alterar 10 vezes o tempo de redução decimal (10,5ºC na Figura 1.14). Os valores D e z são utilizados para caracterizar a resistência térmica de um microrganismo e sua dependência da temperatura, respectivamente. Existe um grande número de fatores que determina a resistência térmica dos microrganismos, mas afirmações gerais sobre o efeito de uma determinada variável na resistência térmica nem sempre são possíveis. Os fatores adiante são considerados importantes.

57

1. Tipo de microrganismo. Diferentes espécies e variedades mostram ampla variação em sua resistência térmica (Tabela 1.11). Os esporos são muito mais resistentes do que as células vegetativas. 2. Condições de incubação durante o crescimento de células ou a formação de esporos. Estas incluem: a) temperatura (esporos produzidos em temperaturas mais altas são mais resistentes que os produzidos em baixas temperaturas); b) idade da cultura (o estágio de crescimento das células vegetativas afeta sua resistência térmica); e c) o meio de cultura utilizado (p. ex., sais minerais e ácidos graxos influenciam a resistência térmica de esporos).

1000

) n i m ( D l a m i c e d o ã ç u d e r e d o p m e T

100

10 Z

1

90

100

110

120

130

Temperatura ( C) °

Curva TDT. A destruição microbiana é mais rápida em temperaturas mais elevadas (p. ex, 100min a 102,5 C tem o mesmo efeito letal que 10min a 113 C). FIGURA 1.14

°

°

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P. J. FELLOWS

3. Condições durante o processamento tér- microrganismos e estão discutidos em detalhe mico. As condições importantes são: em Whitaker (1972). a) o pH do alimento (bactérias pato A resistência térmica de enzimas e/ou migênicas e deteriorantes são ter- crorganismos encontrados em um alimento esmicamente mais resistentes per- pecífico é utilizada para calcular as condições de to da neutralidade; mofos e le- aquecimento necessárias para sua destruição. Na veduras têm maior capacidade prática, o microrganismo ou enzima mais resisde tolerar condições mais ácidas, tente ao tratamento térmico, possível de ocorrer mas são menos resistentes do que em um determinado alimento, é utilizado como esporos bacterianos ao calor); base para o cálculo das condições de processo. b) a atividade de água do alimento Presume-se que outras espécies menos resisten(Seção 1.5) influencia a resistên- tes ao tratamento térmico também são destruídas. cia térmica das células vegeta- Métodos para o cálculo do tempo de procestivas; além disso, o calor úmido samento são discutidos no Capítulo 12. é mais efetivo do que o ar seco para a destruição de esporos; c) a composição do alimento (pro- 1.4.6 Efeitos do calor nas características teínas, gorduras e altas concen- nutricionais e sensoriais trações de açúcar aumentam a A destruição de muitas vitaminas, comresistência térmica dos microrganismos; a baixa concentração de postos aromáticos e pigmentos pela temperacloreto de sódio utilizada na tura segue uma reação de primeira ordem, simaioria dos produtos alimentí- milar à destruição microbiana. Exemplos de cios não possui um efeito signifi- valores de D e z de algumas vitaminas e pigcativo; o estado físico do alimen- mentos são mostrados na Tabela 1.11. Em to, particularmente a presença de geral, ambos os valores são mais altos do que colóides, afeta a resistência tér- aqueles para os microrganismos e enzimas. mica das células vegetativas); e Como conseqüência, as propriedades sensod) as condições do meio de cresci- riais e nutricionais são melhor retidas pelo uso mento e incubação utilizadas para de altas temperaturas e tempos mais curtos avaliar a recuperação de micror- durante o processamento térmico. Por isso, é ganismos em estudos de resistên- possível selecionar combinações específicas de cia térmica afetam o número de tempo-temperatura a partir da curva de TDT (todas atingindo o mesmo nível de destruisobreviventes observado. ção enzimática ou microbiana) para otimizar A maioria das enzimas possui valores de o processo em relação à retenção de nutrien D e z dentro de uma faixa similar à dos micror- tes ou preservação de qualidades sensoriais ganismos, sendo inativadas durante o proces- desejadas. Esse conceito forma a base do bransamento térmico normal. No entanto, algumas queamento rápido individualizado (Capítulo enzimas são muito resistentes ao calor. Isso é 10), da pasteurização HTST ( high temperaimportante sobretudo em alimentos ácidos, nos ture-short time – alta temperatura – curto temquais elas podem não ter sido completamente po [Capítulo 11]), esterilização em temperadesnaturadas pelos tratamentos térmicos rela- turas ultra-altas (UHT) (Capítulo 12) e tivamente curtos em temperaturas mais baixas extrusão HTST (Capítulo 14). A perda de nunecessários para a destruição microbiana. Os trientes e alterações na qualidade sensorial fatores que influenciam a resistência térmica durante o processamento são discutidas nos de enzimas são similares aos descritos para os Capítulos 10 a 18.


1.5 ATIVIDADE DE ÁGUA A deterioração de alimentos por microrganismos pode acontecer rapidamente, ao passo que as reações enzimáticas e químicas ocorrem de modo mais lento durante a armazenagem. Em ambos os casos, o teor de água é um fator muito importante no controle da taxa de deterioração. O teor de umidade dos alimentos pode ser expresso em base úmida: m=

massa de água x 100 massa de amostra

1.28

m=

massa de água x 100 massa de amostra + sólidos

1.29

Ou em uma base seca m=

massa de água x 100 massa de sólidos

1.30

(Lewis, 1990). A base seca é mais utilizada para os cálculos de processamento, enquanto a base úmida é freqüentemente relacionada em tabelas de composição de alimentos. No entanto, é importante observar qual o sistema utilizado TABELA 1.12

Alimento

Atividade de água

Gelo (0 C) Carne fresca Pão Gelo (-10 C) Geléia Gelo (-20 C)

100 70 40 100 35 100

1,00a 0,985 0,96 0,91a 0,86 0,82a

Farinha de trigo Gelo (-50 C)

14,5 100

0,72 0,62a

27 10

0,60 0,45

3,0 5,0 3,5 1,5

0,40 0,30 0,20 0,11 0,08

°

°

°

Passas Massas Cacau Doces fervidos Biscoitos Leite desidratado Chips de batata

quando expressar um resultado. A base úmida é a utilizada neste texto, a menos que tenha alguma observação em contrário. Apenas o conhecimento do teor de umidade não é suficiente para predizer a estabilidade de um alimento. Alguns alimentos são instáveis com um baixo teor de umidade (p. ex., o óleo de amendoim deteriora-se caso a umidade exceda a 0,6%), enquanto outros alimentos são estáveis com teores de umidade relativamente altos (p. ex., amido de batata a 20% de umidade) (van den Berg, 1986). A disponibilidade da água para a atividade microbiológica, enzimática ou química é que determina a vida de prateleira de um alimento, e isso é medido pela atividade de água (aa) do alimento, também conhecida como pressão de vapor relativa (PVR). Exemplos de operações unitárias que reduzem a disponibilidade de água em alimentos incluem aqueles que removem fisicamente a água (desidratação [Capítulo 15], evaporação [Capítulo 13] e liofilização ou concentração por congelamento [Capítulo 22]) e aqueles que imobilizam a água no alimento (p. ex., pelo uso de umectantes em alimentos de umidade intermediária e pela formação de cristais de gelo no congelamento [Capítulo 21]). Exemplos de teor de umidade e aa de alimentos são mostrados na Tabela 1.12, e o efeito da aa re-

Teor de umidade e atividade de água de alimentos

Teor de umidade (%)

°

Grau de proteção necessário

Embalagem para prevenir perda de umidade

Proteção mínima ou nenhuma embalagem necessária

Embalagem para prevenir absorção de umidade

Pressão de vapor do gelo dividida pela pressão de vapor d’água. Adaptada de Troller e Christian (1978), van den Berg (1986) e Brenndorfer et al. (1995). a

59

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TABELA 1.13

Fenômeno

aa

1,00 0,95 0,90

0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,40 0,30 0,25

Importância da atividade de água nos alimentos

Exemplo

Inibição de Pseudomonas, Bacillus, Clostridium perfringens e outras leveduras Limite inferior para o crescimento microbiano (geral), inibição de Salmonella, Vibrio parahaemolyticus , Clostridium botulinum , Lacotobacillus e algumas leveduras e fungos Inibição de muitas leveduras Limite inferior para a maioria das atividades enzimáticas e crescimento da maioria dos fungos; inibição de Straphlococcus aureus Limite inferior para bactérias halofílicas Limite inferior para o crescimento da maioria dos fungos xerofílicos Velocidade máxima para a reação de Maillard Limite inferior para o crescimento de leveduras e fungos osmofílicos ou xerofílicos O ácido desoxirribonucléico torna-se desordenado (limite inferior para continuação da vida)

Alimentos frescos altamente perecíveis Alimentos com 40% de sacarose ou 7% de sal, salsichas cozidas, pão Alimentos com 55% de sacarose, 12% de sal, presunto curado, queijos levemente maturados. Alimentos com umidade intermediária (aa = 0,90 – 0,55) Alimentos com 65% de sacarose, 15% de sal, salame, queijo maturado, margarina Farinha, arroz (15 a 17% de água), bolo de frutas, leite condensado, xaropes de frutas, glacê Marzipã (15 a 17% de água), doces de frutas Flocos de aveia (10% de água), caramelo, melados, nozes Frutas desidratadas (15 a 20 % de água), balas de caramelo (8% de água), mel Alimentos desidratados (aa = 0 a 0,55), temperos, massas Ovo integral em pó (5% de água) Cream crackers , farinha de pão (3 a 5% de água)

Velocidade mínima de oxidação Resistência máxima ao calor de esporos bacterianos

0,20

Leite integral em pó (2 a 3% de água), vegetais desidratados (5% de água), sucrilhos (5% de água)

duzida na estabilidade está mostrado na Tabela 1.13. A água exerce uma pressão de vapor nos alimentos, a qual depende:

o teor de umidade por meio de diversas equações, incluindo a seguinte:

• da quantidade de água presente; • da temperatura; e • da concentração dos solutos dissolvidos (particularmente sais e açúcares) na água. A atividade de água é definida como “a razão da pressão de vapor da água no alimento e a pressão de vapor saturada da água na mesma temperatura” (Equação 1.31): aa =

P P0

1.31

onde P (Pa) = pressão de vapor do alimento, P0 = (Pa) = pressão de vapor da água pura na mesma temperatura. A aa está relacionada com

aa M (1 – aa)

=

1 C–1 + aa M 1C M 1C

1.32

onde aa = atividade de água, M = umidade como percentual do peso seco, M 1 = umidade (base seca) de uma camada monomolecular e C = constante. Um cálculo de exemplo é descrito por Karel (1975). Uma proporção do total de água está fortemente ligada a pontos específicos (p. ex., grupos hidroxila de polissacarídeos, grupos carbonila e amino de proteínas e pontes de hidrogênio). Quando todos os pontos estão (estatisticamente) ocupados por água absorvida, o teor de umidade é chamado de valor de monocamada de BET (Brunauer-Emmett-Teller) (Fennema, 1996). Exemplos típicos incluem


gelatina (11%), amido (11%), lactose amorfa (6%) e leite integral seco em secador de spray (3%). O valor de monocamada de BET representa o teor de umidade no qual o alimento está em seu estado mais estável. Em teores de umidade abaixo desse nível, existe uma maior taxa de oxidação de gorduras e, em teores mais altos, ocorre o escurecimento por Maillard e atividades enzimáticas e microbiológicas são estimuladas (Figura 1.15). O movimento do vapor d’água de um alimento para o ambiente depende tanto do alimento (teor de umidade e composição) como

61

das condições do ar (temperatura e umidade). Sob uma temperatura constante, o teor de umidade do alimento altera-se até entrar em equilíbrio com o vapor d’água no ar circundante. O alimento, então, não ganha nem perde peso na armazenagem nessas condições. Isso é chamado de teor de umidade de equilíbrio do alimento, e a umidade relativa da atmosfera de armazenagem é conhecida como umidade relativa de equilíbrio. Quando diferentes valores de umidade relativa são plotados em relação ao teor de umidade de equilíbrio, obtém-se uma curva chamada isoterma de sorção de água (Figura 1.16).

1,0 Oxidação 0,5 0 1,0 Escurecimento ) 0 , 1 = x á m ( o ã ç a r o i r e t e d e d a v i t a l e r a x a T

0,5 0 1,0

Atividade enzimática

0,5 0 1,0 Crescimento de mofos 0,5 0 1,0

Crescimento bacteriano Produção de toxinas

0,5

0

0,2

0,4 0,6 Atividade de água

0,8

1,0

Efeito da atividade de água nas alterações microbianas, enzimáticas e químicas nos alimentos. (Baseada em Karel, 1975.) FIGURA 1.15

62

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25 ) % ( e d a d i m u e d r o e T

20 15 10

Adsorção

5 0

FIGURA 1.16

C

Desorção

20 40 60 80 100 Umidade relativa (%)

Isotermas de sorção de água.

Cada alimento possui um conjunto particular de isotermas de sorção sob diferentes temperaturas. A forma precisa dessas isotermas é resultado de diferenças na estrutura física, composição química e quantidade de água ligada no alimento, apesar disso todas elas possuem uma forma característica, similar à mostrada na Figura 1.16. A primeira parte da curva, até o ponto A, representa a água da monocamada, que é muito estável, não-congelável e não-removível por secagem. A segunda, a parte relativamente reta da curva (AB), representa a água adsorvida nas múltiplas camadas dentro do alimento e soluções de componentes solúveis. A terceira porção (acima do ponto B) é água “livre” condensada dentro da estrutura capilar ou nas células do alimento. Ela está mecanicamente presa dentro do alimento e é mantida apenas por forças fracas, sendo facilmente congelada ou removida pela secagem, como indicado pela inclinação acentuada da curva. A água livre está disponível para o crescimento microbiano e atividade enzimática, e o alimento que possui um teor de umidade acima do ponto B na curva está propenso a deterioração. A isoterma de sorção indica a aa na qual o alimento é estável e permite previsões do efeito de alterações do teor de umidade na aa e, como conseqüência, na estabilidade da armazenagem. Ela é utilizada para determinar a taxa e a capacidade de secagem (Capítulo 15), as temperaturas ideais de armazenagem congelada (Capítulo 21) e as propriedades de bar-

reira à umidade necessárias para os materiais de embalagem (Capítulo 24). A taxa de mudança da a a em uma isoterma de sorção difere dependendo de a umidade ser removida do alimento (desorção) ou adicionada ao alimento seco (absorção) (Figura 1.16). Isso é denominado loop de histerese. A diferença é grande em alguns alimentos (p. ex., arroz) e é importante, por exemplo, na determinação da proteção necessária contra o ganho de umidade. 1.5.1 Efeitos da aa nos alimentos Os efeitos da aa em reações microbiológicas e em algumas biológicas são mostrados na Figura 1.15 e na Tabela 1.13. Quase toda atividade microbiana é inibida abaixo da aa = 0,6, e a maioria dos fungos, das leveduras e das bactérias é inibida, respectivamente, abaixo de aa = 0,7, aa = 0,8 e aa = 0,9. A interação da aa com temperatura, pH, oxigênio e dióxido de carbono ou conservantes químicos tem um efeito importante na inibição do crescimento microbiano. Quando qualquer uma das outras condições ambientais é subótima para um determinado microrganismo, o efeito da aa reduzida aumenta. Isso permite a combinação de vários mecanismos de controle mais suaves, que resultam na preservação do alimento sem perdas substanciais do valor nutricional ou características sensoriais (Tabela 1.14) (veja Seção 1.8.2).


TABELA 1.14

Alimento Carne fresca Carne cozida Salsichas secas Hortaliças frescas Picles Pão Bolo de frutas Leite Iogurte Leite em pó

63

Interação da aa, do pH e da temperatura em alguns alimentos

pH > 4,5 > 4,5 > 4,5 > 4,5 < 4,5 > 4,5 > 4,5 > 4,5 < 4,5 > 4,5

aa

> 0,95 0,95 < 0,90 > 0,95 > 0,90 > 0,95 < 0,90 > 0,95 < 0,95 < 0,90

Vida de prateleira Dias Semanas Meses Semanas Meses Dias Semanas Dias Semanas Meses

A atividade enzimática praticamente cessa em valores de a a abaixo do valor de monocamada de BET. Isso se deve à baixa mobilidade do substrato e sua inabilidade para difundir-se até o ponto reativo da enzima. Mudanças químicas são mais complexas. As duas reações mais importantes que ocorrem em alimentos com baixa aa são o escurecimento por Maillard e oxidação dos lipídeos. A aa que causa a maior taxa de escurecimento varia para diferentes alimentos. No entanto, em geral, uma a a baixa restringe a mobilidade dos reagentes e o escurecimento é reduzido. Já em aa mais altas, ele atinge seu máximo. A água é um produto da reação de condensação no escurecimento e, em níveis de umidade mais altos, este é diminuído por “inibição por produtos finais”. Em teores de umidade mais altos, a água dilui os reagentes, e a taxa de escurecimento cai. A oxidação de lipídeos ocorre em aa baixa devido à ação dos radicais livres. Acima do valor de monocamada de BET, antioxidantes e agentes quelantes (que seqüestram catalisadores de metal residual) tornam-se solúveis e reduzem a taxa de oxidação. Em valores de aa mais altos, a atividade catalítica dos metais é reduzida por hidratação e formação de hidróxidos, porém, em valores altos, catalisadores de metal tornam-se solúveis, e a estrutura do alimento incha-se para expor pontos mais reativos (Figura 1.15).

Observações Conservada por refrigeração Armazenagem ambiente quando embalada Conservada por sal e aa baixa “Estável” enquanto respirar Baixo pH mantido por embalagem Conservado por calor e baixa aa Conservado por refrigeração Conservado por baixo pH e refrigeração Conservado por baixa aa

1.6 EFEITOS DO PROCESSAMENTO NAS CARACTERÍSTICAS SENSORIAIS DOS ALIMENTOS Existe uma variedade de definições sobre “qualidade” de alimentos, as quais são discutidas por Cardello (1998). Para o consumidor, os atributos de qualidade mais importantes são suas características sensoriais (textura, sabor, aroma, forma e cor). Elas determinam a preferência individual por produtos específicos, e pequenas diferenças entre marcas de produtos similares podem ter uma influência substancial na aceitação. Um objetivo contínuo dos fabricantes de alimentos é buscar melhorias no processamento que retenham ou criem qualidades sensoriais desejáveis ou reduzam os danos causado pelo processamento. Exemplos desses melhoramentos são descritos nos capítulos subseqüentes. 1.6.1 Textura A textura de um alimento é determinada principalmente pelos teores de umidade e gordura, pelos tipos e quantidades de carboidratos estruturais (celulose, amidos, materiais pécticos) e pelas proteínas presentes. Alterações na textura são causadas pela perda de umidade ou gordura, formação ou quebra de emulsões e géis, hidrólise de carboidratos

64

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poliméricos e coagulação ou hidrólise de proteínas. Informações detalhadas sobre as características texturais dos alimentos são fornecidas por Mohsenin (1980), Lewis (1990) e Szczesniak (1983). O efeito da composição dos alimentos e da estrutura na textura está descrito por Stanley e Tung (1976) e Sherman (1976). 1.6.2 Gosto, sabor e aroma Atributos de gosto consistem de salgado, doce, amargo e ácido, e alguns desses atributos podem ser detectados em limites muito baixos nos alimentos (Tabela 1.15). O sabor é amplamente determinado pela formulação utilizada para um alimento em particular e não é, na maioria dos casos, afetado pelo processamento. Exceções a isso incluem aumento da doçura devido a mudanças respiratórias em alimentos frescos (Capítulo 19) e alterações na acidez ou na doçura durante a fermentação de alimentos (Capítulo 7). Alimentos frescos contêm misturas complexas de composto voláteis, que dão aromas e sabores característicos, alguns detectáveis mesmo em concentrações exTABELA 1.15

Limites de detecção para componentes básicos em alimentos

Composto Compostos de sabor

Ácido hidroclorídrico Ácido cítrico Ácido láctico Cloreto de sódio Cloreto de potássio Sacarose Glicose Sacarina sódica Sulfato de quinino Cafeína

Compostos de aroma

Citral Limoneno Ácido butírico Benzaldeído Etil acetato Salicilato de metila Sulfeto de hidrogênio Acetato de amila Safrol Etil mercaptano De Cardello (1998).

tremamente baixas (Tabela 1.15). Esses compostos podem ser perdidos durante o processamento, o que reduz a intensidade dos aromas ou revela outros compostos de aroma/sabor. Compostos aromáticos voláteis também são produzidos pela ação do calor, da radiação ionisante, da oxidação ou da atividade enzimática em proteínas, gorduras e carboidratos. Exemplos incluem a reação de Maillard entre aminoácidos e açúcares redutores, ou grupos carbonila e produtos da degradação de lipídeos (Capítulo 16), ou hidrólise de lipídeos em ácidos graxos e subseqüente conversão em aldeídos, ésteres e álcoois. Os aromas percebidos nos alimentos resultam de combinações complexas de muitas centenas de compostos, algumas das quais atuam sinergeticamente (Maruniak e MacKay-Sim, 1984). Além disso, o sabor percebido nos alimentos é influenciado pela taxa em que os compostos aromáticos são liberados durante a mastigação e, portanto, é muito associado com a textura dos alimentos e com a taxa de quebra da estrutura do alimento durante a mastigação (Clark, 1990). Pesquisas sobre a liberação de aromas são descritas por Wyeth e Kilcast (1991) e

Sabor ou aroma Azedo Azedo Azedo Salgado Amargo/salgado Doce Doce Doce Amargo Amargo Limão Limão Manteiga rançosa Amêndoas amargas Frutal Ciprestes Ovo podre Óleo de banana Açafrão Repolho podre

Limite de detecção 0,0009 N 0,0016 N 0,0023 N 0,01 M 0,017 M 0,01 M 0,08 M 0,000023 M 0,000008 M 0,0007 M 0,000003 mg/L 0,1 mg/L 0,009 mg/L 0,003 mg/L 0,0036 mg/L 0,1 mg/L 0,00018 mg/L 0,039 mg/L 0,005 mg/L 0,00000066 mg/L


Plattig (1984), e descrições mais detalhadas da produção de compostos aromáticos ou perda de compostos naturalmente presentes nos alimentos são dadas por Lindsay (1996) e nos capítulos subseqüentes. 1.6.3 Cor Métodos para avaliar a cor e a aparência dos alimentos são descritos por MacDougall (1984). Muitos pigmentos naturais são destruídos pelo processamento térmico e alterados quimicamente por mudanças no pH ou por oxidação durante a armazenagem (Tabela 1.16). Como conseqüência, os alimento processados podem perder sua coloração característica e, assim, seu valor. Pigmentos sintéticos (Apêndice C) são mais estáveis ao calor, à luz e a mudanças no pH e são, por isso, adicionados para manter a cor de alguns alimentos processados. Detalhes de alterações em pigmentos naturais estão descritos nos Capítulos 10 a 17. O escurecimento por Maillard é uma causa importante tanto de alterações desejáveis na coloração dos alimentos (p. ex., em assados ou frituras [Capítulos 16 e 17]) quanto do deTABELA 1.16

Fonte típica

Antocianinas Betalaína Bixina

Frutas Beterraba Casca da semente de Bixa orellana

Açúcares aquecidos Carotenos Folhas Clorofila Folhas a Cochonilha Inseto (Dactylopius coccus ) Cúrcuma Turmérico Norbixina Veja bixina Oximioglobina Animais Polifenóis Folhas de chá Quinonas Raízes, cascas de árvores Xantofilas Frutas Como laca de alumínio. De Zapsalis (1985) e Coultate (1984). a

senvolvimento de cores indesejáveis (p. ex., durante o processamento térmico e a secagem [Capítulos 12 e 15]). 1.7 EFEITOS DO PROCESSAMENTO NAS PROPRIEDADES NUTRICIONAIS Muitas operações unitárias, especialmente aquelas que não envolvem calor, possuem pouco ou nenhum efeito na qualidade nutricional dos alimentos. Exemplos incluem mistura, limpeza, seleção, liofilização e pasteurização. Operações unitárias que intencionalmente separam componentes dos alimentos (Capítulos 3, 4 e 6) alteram a qualidade nutricional de cada fração comparada com a matéria-prima. A separação não-intencional de nutrientes solú veis em água (minerais, vitaminas solúveis em água e açúcares) também ocorre em algumas operações unitárias (p. ex., branqueamento [Capítulo 10], e em perdas por gotejamento de assados ou alimentos congelados [Capítulos 16 e 21]). O processamento térmico é a maior causa de alterações nas propriedades nutricionais de alimentos. Por exemplo, a gelatinização de ami-

Pigmentos naturais em alimentos

Pigmento

Canxantina Caramelo

65

Solúvel em água ou óleo

Estabilidade Ao calor

À luz

Ao oxigênio A alterações de pH

Água Água Óleo

Alta Moderada Moderada a baixa

Alta Alta Baixa

Alta Alta Alta

Baixa Alta –

Óleo Água

Moderada Alta

Moderada Alta

Moderada Alta

Moderada Alta

Óleo Água Água

Moderada a baixa Baixa Alta Alta Alta Alta

Baixa Alta –

Alta Baixa Moderada a alta

Água Água Água Água Água

Baixa Moderada a baixa Baixa Alta Alta

Baixa Baixa – Alta Moderada

Baixa Alta Alta Alta –

– – Baixa Alta Moderada

Água

Moderada

Alta

Alta

Baixa

66

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dos e a coagulação de proteínas melhoram sua digestibilidade, e compostos antinutricionais (p. ex., o inibidor de tripsina em leguminosas) são destruídos. No entanto, o calor também destrói alguns tipos de vitaminas termolábeis (Figura 1.17), reduz o valor biológico de proteínas (de vido à destruição de aminoácidos ou a reações de escurecimento não-enzimático) e promove a oxidação de lipídeos. Os efeitos do calor em proteínas e lipídeos são descritos em detalhes por Mauron (1982), e Witting e Dimick (1982), respectivamente. A oxidação é a segunda causa mais importante de mudanças nutricionais nos alimentos. Ela ocorre quando o alimento é exposto ao ar (p. ex., na redução de tamanho ou secagem por ar quente [Capítulos 4 e 15]) ou como resultado da ação do calor ou enzimas oxidativas (p. ex., peroxidase ou lipoxigenase). Os principais efeitos da oxidação são: • a degeneração de lipídeos em hidroperóxidos e subseqüentes reações para formar uma grande variedade do compostos carbonílicos, compostos hidroxílicos e ácidos graxos de cadeia curta e em óleos de fritura para compostos tóxicos (Capítulo 17); e • a destruição de vitaminas sensíveis ao oxigênio (Figura 1.17 e Apêndice A). Alterações em lipídeos são discutidas por Zapsalis e Beck (1985), e uma discussão das propriedades de vitaminas e perdas durante o processamento é encontrada em Bender (1978), Harris e Karmas (1975) e De Ritter (1982).

Exemplos de perdas de vitaminas causadas por operações unitárias são individualmente descritos nos próximos capítulos. A importância da perda de nutrientes durante o processamento depende do valor nutricional de um alimento particular na dieta. Alguns alimentos (p. ex., pão, batatas e leite em países ocidentais e arroz e milho em países orientais e em desenvolvimento) são fontes importantes de nutrientes para um grande número de pessoas. Perdas de vitaminas são, portanto, mais significativas nesses alimentos do que naqueles consumidos em pequenas quantidades ou que possuem uma baixa concentração de nutrientes. Em países industrializados, a maioria da população obtém um fornecimento adequado de nutrientes a partir da mistura de alimentos que são consumidos. Perdas devidas ao processamento de um componente da dieta são, portanto, insignificantes à saúde de um indivíduo a longo prazo. Em um exemplo descrito por Bender (1987), refeições completas que inicialmente continham 16,5 mg de vitamina A perdiam 50% no enlatamento e 10% após armazenagem por 18 meses. Apesar de a perda parecer significativa, a refeição original continha apenas 2% da dose diária recomendável (DDR), e a extensão da perda é, portanto, de mínima importância. A mesma refeição continha 9 mg de tiamina e perdia 75% após 18 meses de armazenagem. O teor de tiamina é 10 vezes o DDR, logo, quantidades adequadas ainda permaneciam. Possíveis exceções são as necessidades dietéticas especiais de bebês, mulheres grá vidas e idosos. Nesses grupos, pode haver uma

A

D

E

K

Destruída por luz ultravioleta e ar

Aumentada na luz ultravioleta

Destruída por gordura rançosa

Muito estável

Estáveis ao calor, normalmente não são afetadas pelo processamento térmico

C

Complexo B e ácido pantotênico Destruída por – ar, enzimas, luz ultravioleta, ferro e cobre Instável ao calor

Mais estável ao calor

Lixiviadas, destruídas por álcalis, estáveis em ácido FIGURA 1.17

Estabilidade de vitaminas nos alimentos


necessidade especial de certos nutrientes ou uma dieta mais restrita que a normal. Esses casos especiais são discutidos detalhadamente por Watson (1986) e Francis (1986). O tema sobre perdas reportadas de vitaminas durante o processamento faz parte dos capítulos seguintes para dar uma indicação de quão severa é cada operação unitária. No entanto, esses dados devem ser tratados com cautela. Variações em perdas de nutrientes entre cultivares ou variedades podem exceder as diferenças causadas por métodos alternativos de processamento. Condições de crescimento ou procedimentos de manipulação e preparação antes do processamento também causam variações substanciais na perda de nutrientes. Dados de alterações nutricionais não podem ser aplicados diretamente a operações comerciais devido a diferenças nos ingredientes, nas condições de processamento e nos equipamentos utilizados pelos diferentes produtores. 1.8 SEGURANÇA ALIMENTAR, BOAS PRÁTICAS DE FABRICAÇÃO E GARANTIA DA QUALIDADE Tradicionalmente, sistemas de controle da qualidade eram baseados na inspeção de um produto em vários pontos de uma linha de processamento, com a rejeição de qualquer produto que não atendesse aos padrões estabelecidos. Essa abordagem reativa em qualidade dos alimentos focalizava principalmente a testagem do produto final, o que é atualmente reconhecido como um desperdício de recursos (recursos já gastos na produção do alimento no momento que ele é testado e rejeitado, o que significa uma perda financeira). Uma abordagem mais proativa e preventiva em segurança alimentar e gerenciamento da qualidade, denominada “Garantia da Qualidade”, foi desenvolvida durante a década de 1980, baseada nos princípios de Boas Práticas de Fabricação (BPF) (Anon., 1998). Seu objetivo é garantir que a qualidade e a sanidade sejam mantidas ao longo do processo e, assim, evitar a rejeição do produto e a perda financeira.

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As pressões para esse desenvolvimento tiveram de duas influências: primeiro, comerciais, incluindo: • aumento na competição entre companhias; • necessidade de acesso a mercados alimentícios nacionais e internacionais; e • sistemas de gerenciamento da qualidade exigidos pelas redes de comercialização. Todos esses aspectos exigiam um sistema efetivo de monitoração e controle do alimento para fiscalizar os recursos e garantir que alimentos seguros e de alta qualidade fossem fabricados, e conduziram para o conceito de Gerenciamento de Qualidade Total (GQT). Em segundo lugar, novas legislações exigiam sistemas que poderiam tanto manter a qualidade e a sanidade como provar que a empresa as mantém sob controle. A legislação inicial de garantia da qualidade (padrões BS 5750/ BS EN ISO 9000) foi expandida para poder considerar todos os tipos de negócios. O objetivo do GQT é fazer com que as companhias definam e entendam todos os seus processos, para implementar controles, monitorar desempenhos e medir melhorias. O padrão BS 7850 define o GQT como “uma filosofia de gerenciamento e práticas empresariais que objetivam empregar os recursos humanos e materiais de uma organização da maneira mais objetiva possível para atingir os seus objetivos”. Esse conceito leva em consideração padrões diferentes para as operações de produção e de desenvolvimento de novos produtos (BS EN ISO 9001), instalações de produção (BS EN ISO 9002), gerenciamento ambiental e de resíduos (ISO 14001, também Capítulo 26), direitos, saúde e segurança do trabalhador (BS 8800), gerenciamento de laboratórios (EN 45000), bem como qualidade e segurança alimentar. Como parte do programa de GQT, os fabricantes de alimentos também devem considerar as necessidades de um outro sistema de gerenciamento da segurança alimentar denominado APPCC (Análise de Perigos e Pontos

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Críticos de Controle), que foi desenvolvido pelo Codex Alimentarius. Ele fornece as medidas de controle básico necessárias para compreender os mecanismos de produção de um alimento seguro e a base para a criação de sistemas de controle de produção para a garantia da qualidade. Uma grande mudança na direção de uma maior ênfase nas legislações internacional, em detrimento das nacionais, aconteceu em 1994, quando um acordo do GATT2 recomendou a aceitação da APPCC como um padrão necessário para a livre movimentação internacional de alimentos. A OMC agora avalia tanto as barreiras técnicas quanto os controles comerciais e sanitários, com referência aos padrões de APPCC do Codex (Mitchell, 1996). Mais recentemente, no Reino Unido, o Consórcio Britânico de Varejo (British Retail Consortium) emitiu o “Padrão Técnico para Companhias Fornecedoras de Alimentos com Marca de Varejo”, que está sendo utilizado como um padrão definitivo para fornecedores e forma a base de seus contratos de negócios (Rose, 2000). Ele cobre seis áreas básicas: sistemas de APPCC, sistemas de gerenciamento de qualidade, padrões ambientais industriais, controle do produto, controle do processo e controle de pessoal. Ele é implementado por meio de grupos de inspeção terceirizados (p. ex., o Serviço de Inspeção Europeu de Segurança Alimentar – European Food Safety Inspection Service [EFSIS]). O GQT é, portanto, algo mais amplo do que apenas controle da qualidade, é uma filosofia de gerenciamento que busca melhorar continuamente a efetividade e a competitividade da empresa como um todo. Ele é um sistema integrado, que garante que todas as áreas do negócio sejam controladas, para permitir aos consumidores receber consistentemente produtos de qualidade que vão ao encontro de suas necessidades e expectativas. A abordagem requer responsabilidade coletiva e comprometimento em todos os níveis do negócio, o que só pode ser atingido por meio de relações de confiança no trabalho e boa comunicação. Sistemas de gerenciamento da qualidade são normalmente desenvolvidos com referência a padrões internacionais ou padrões legislativos específicos (p. ex., o Padrão Europeu 91/493 para

produtos de pescado). No entanto, qualquer padrão de referência é somente uma base sobre a qual a companhia constrói seus próprios padrões de desempenho para atender aos requisitos da lei e dos consumidores e as suas próprias necessidades. Em linhas gerais, um sistema de GQT cobre as seguintes áreas: • Compra e controle de matérias-primas (incluindo especificações predefinidas, auditoria dos fornecedores, armazenagem das matérias-primas, controle de estoque, rastreabilidade, inspeção, in vestigação de não-conformidade às especificações). • Controle do processo (incluindo identificação, verificação e monitoração de pontos críticos de controle em um esquema de APPCC, projeto higiênico da planta e de leiaute para minimizar contaminação cruzada, planilhas de limpeza, registro de dados críticos de produção, procedimentos de amostragem e planos de contingência para cobrir assuntos de segurança). • Instalações (incluindo métodos de construção para minimizar contaminação, manutenção e descarte de resíduos). • Controle da qualidade (incluindo especificações do produto e padrões de qualidade para aspectos não-relacionados à segurança, monitoração e verificação da qualidade antes da distribuição). • Pessoal (incluindo treinamento, higiene pessoal, uniformes e seleção médica). • Produto final (incluindo tipos e níveis de inspeção para determinar conformidade com as especificações de qualidade, isolamento de produtos fora das normas, inspeção de empacotamento, registros de inspeção, sistemas de monitoração de reclamações). • Distribuição (para manter a integridade do produto ao longo da cadeia, a rastreabilidade do lote e os sistemas de recolhimento de produto).


Mann e Adebanjo (1997) e Rose (2000) produziram revisões sobre GQT, e Dillon (1999) descreveu uma abordagem prática para iniciar projetos de GQT em pequenas empresas. Um sistema de GQT exige que a companhia tenha um nível de organização de gerenciamento que a permita atingir os objeti vos de GQT. A companhia deve: • ter uma estrutura organizacional definida; • definir claramente autoridade e divisão de responsabilidades; • definir procedimentos; • interligar os componentes do sistema; • preparar a documentação básica; e • alocar recursos suficientes para implementar o sistema (Dillon e Griffith, 1996). Rose (2000) enfatizou a necessidade de comprometimento da gerência sênior à implementação de um sistema de GQT e a necessidade de gerentes seniores revisarem e atualizarem a efetividade dos sistemas em uso. Os procedimentos para introduzir um sistema de gerenciamento da qualidade incluem: • desenvolvimento de métodos de auditoria; • procedimentos de ação corretiva; • procedimentos para revisão gerencial; e • documentação do sistema. A implementação efetiva demanda o uso combinado de todos os recursos, incluindo as pessoas. Dillon (1996) enfatizou que muitos sistemas falharam porque pouca atenção foi dada aos profissionais que iriam implementar o sistema. As auditorias são a coleta e realimentação sistemática e regular de informações objetivas por pessoas independentes e competentes. Elas são utilizadas, por exemplo, para monitorar a capacidade de um fornecedor de produzir, de acordo com os padrões determinados, ou as rotinas de produção. Enfim, as auditorias são uma ferramenta efetiva para monitorar o sucesso de um sistema de qualidade e são descritas em detalhes por Sayle (1998), Mortimer e Wallace (1998) e Dillon e Griffith (1997). Os tipos de

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com as especificações, padrões de desempenho, necessidades do consumidor ou legislação para uma operação em um departamento da fábrica precisam estar claramente definidos, e as ações apropriadas devem ser explicitadas para o caso da ocorrência de alguma falha. Por exemplo, se o desvio é em relação a um aspecto legal, a ação apropriada é colocar o produto em quarentena, mas se é em relação a uma necessidade do consumidor, a ação pode envolver a informação ao consumidor e venda a um preço reduzido. A revisão gerencial é um componente essencial de qualquer sistema, e a gerência deve considerar a realimentação do sistema e decidir sobre as ações apropriadas, utilizando encontros formais com agendas, ações e responsabilidades padrão. A necessidade de gerenciar informações pelo controle de documentos assegura que os documentos sejam aprovados, emitidos e armazenados em locais definidos em fichários, disquetes ou winchester de computador ou CD. Códigos definidos de referência, estruturas de diretórios, procedimentos de armazenagem, instruções de arquivamento e mecanismos de backup são essenciais. Existe uma hierarquia de documentações, desde manuais de delineamento de políticas, procedimentos que interligam atividades-chave, instruções de trabalho detalhadas e registros de produção que requerem uma organização para provar que o sistema fornece o controle necessário. Regras para o controle de documentos devem, portanto, ser estabelecidas e colocadas em prática logo no início do desenvolvimento do sistema de controle. Procedimentos para ações corretivas são necessários para prevenir a recorrência de quaisquer deficiências dentro do sistema. Os benefícios de um sistema de GQT adequadamente implantado são colocados por Rose (2000) como: não-conformidade

• Econômicos (maior custo-benefício da “obtenção correta na primeira vez”, redução de material descartado, menos reclamações do consumidor, melhoria da eficiência de equipamentos e aumento da capacidade de manufatura). • De marketing (atendimento consistente das necessidades do consumidor, au-

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mento da confiança do consumidor e das vendas). • Internos (melhoria da moral dos funcionários, aumento dos níveis de comunicação, funcionários mais bem-treinados e percepção/comprometimento em relação a qualidade, melhoria do controle gerencial e confiança nas operações). • legais (demonstração de diligência, provimento de evidências de comprometimento com a qualidade e capacidade para melhorar). 1.8.1 APPCC A análise de perigos é a “identificação de ingredientes, condições de armazenagem, embalagem, pontos críticos do processo e fatores humanos relevantes que possam ser potencialmente perigosos e afetar a segurança ou a qualidade do produto”. O sistema de APPCC permite a identificação, a avaliação e o controle ou a eliminação de perigos potenciais em um processo. Ele estabelece tolerâncias para os perigos e define medidas de controle apropriadas, a freqüência de suas aplicações, procedimentos de amostragem, testes específicos a serem utilizados e os critérios para aceitação do produto. O sistema é baseado na monitoração de pontos críticos de controle3 e na ação a ser tomada quando os resultados da monitoração estão fora dos limites preestabelecidos (Figura 1.18). O sistema APPCC é utilizado ao longo de cada etapa do processo e inclui matérias-primas, processamento, armazenagem e distribuição. Ele pode ser utilizado para todos os perigos potenciais, incluindo qualidade inadequada ou segurança, e pode identificar áreas de controle onde falhas ainda não ocorreram, tornando-o útil para novas operações. A implementação de um esquema de APPCC envolve os seguintes passos: 1. Produção de um fluxograma detalhado, incluindo métodos de produção e planos, preparação e transporte de matérias-primas, estocagem durante o processo, etc., confirmado por uma visita ao local.

2. Identificação das características essenciais do produto e seu uso e definição dos perigos reais ou potenciais que poderiam ameaçar o consumidor ou o produto. A formulação do produto, os procedimentos de manuseio e as condições de armazenagem, a embalagem, a expectativa de manuseio pelo consumidor e o público-alvo devem ser incluídos. 3. Consideração de todas as etapas do processo, incluindo desvios realistas do processo, e identificação das etapas críticas (PCCs) que devem ser controladas para garantir a segurança. O julgamento do risco é realizado por três métodos: probabilístico, comparativo ou pragmático, e deve ser feito por pessoas que tenham um alto grau de conhecimento e experiência. 4. Visualização dos níveis a serem atingidos e limites críticos para cada PCC e elaboração de procedimentos efetivos para monitorá-los e verificá-los e para a implementação de ações corretivas. A monitoração pode ser realizada por testes físicos, microbiológicos ou químicos ou por observações visuais ou sensoriais. Todos os procedimentos de monitoração de vem ser registrados e também devese incluir a localização do PCC, a freqüência de monitoração e os critérios de aceitação satisfatória. Exemplos incluem procedimentos de limpeza (o que deve ser limpo, como e quando deve ser limpo, quem limpa e com o quê), temperaturas dos alimentos, condições de processo, receitas de formulação, práticas de higiene, oportunidades para contaminação cruzada e doenças ou infecções dos trabalhadores. 5. Estabelecimento dos documentos para registrar o sistema de APPCC e os procedimentos necessários para revisá-lo. Exemplos de aplicações de APPCC são descritos por Dillon e Griffith (1996), Mortimer e Wallace (1998) e Fellows e colaboradores (1995).


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Responder a cada questão, em cada etapa, para cada contaminante identificado Q1 Você tem em mãos os controles para o contaminante?

Modifique a etapa, o processo ou o produto

Não

O controle neste ponto é necessário para a segurança?

Não

Não é um PCC

Sim

Sim

Pare1

Q2 Esta etapa do processo controla o contaminante a um nível aceitável? Sim

Não

Q3 O contaminante poderia ocorrer a um nível que poderia causar danos ao consumidor ou reclamações? Sim

Não

Não é um PCC

Q4 Uma outra etapa do processo irá controlar a contaminação a um nível aceitável? Não é um PCC

Sim 1

FIGURA 1.18

Pare1

Não

Ponto Crítico de Controle

Pare1

Continue para a próxima etapa descrita no processo.

Árvore de tomada de decisões para pontos críticos de controle. (De Felows et al., 1995.)

1.8.2 Tecnologia de barreiras Em alimentos tradicionalmente conservados, tais como peixe ou carne defumados, geléias e outros doces, existe uma combinação de fatores para garantir a segurança microbiológica e a estabilidade, permitindo, assim, sua conser vação. Em produtos defumados, por exemplo, essa combinação inclui calor, teor de umidade reduzido e compostos químicos antimicrobianos depositados pela fumaça na superfície do alimento. Alguns produtos defumados também podem ser mergulhados ou encharcados em salmoura ou esfregados com sal antes da defumação, para impregnar a carne com sal e, assim, acrescentar mais um mecanismo de conservação. Produtos defumados também podem

ser refrigerados ou mantidos em atmosfera modificada para aumentar a vida de prateleira. Em geléias e outros doces de frutas, os fatores combinados são calor, alto teor sólido (atividade de água reduzida [Seção 1.5]) e alta acidez. Esses fatores de conservação têm uma grande influência nas características sensoriais do produto e contribuem para diferenças importantes no sabor, na textura ou na cor entre diferentes produtos. Na fermentação de vegetais (Capítulo 7), a qualidade desejada do produto e a estabilidade microbiológica são atingidas por uma seqüência de fatores que surgem em diferentes etapas do processo de fermentação: a adição de sais seleciona a população microbiana inicial, que utiliza todo o oxigênio na salmoura. Isso reduz o potencial redox e inibe o crescimento

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P. J. FELLOWS

de microrganismos deteriorantes anaeróbios, fa vorecendo a seleção de bactérias lácticas. Estas, então, acidificam o produto e estabilizam-no. Tratamentos posteriores podem incluir pasteurização (Capítulo 11) e embalagem (Capítulo 24) para aumentar a vida de prateleira e facilitar a distribuição. A demanda dos consumidores por alimentos de alta qualidade com características “frescas” ou “naturais”, que necessitam de uma preparação mínima, levou ao desenvolvimento de alimentos de conveniência e prontos para comer que são conservados por tecnologias mais brandas. A principal técnica de conservação é a refrigeração (Capítulo 19), poTABELA 1.17

rém, devido à dificuldade de manter as temperaturas baixas ao longo de toda a cadeia de produção, distribuição e estocagem, são necessários obstáculos (ou “barreiras”) para controlar o crescimento de microrganismos deteriorantes ou patogênicos. O conceito de combinar diversos fatores para conservar o alimento foi desenvolvido por Leistner (1995) e outros no efeito de barreiras (cada fator é uma barreira que o microrganismo deve ultrapassar). Isso levou à aplicação da tecnologia de barreiras,4 na qual o entendimento das interações complexas entre temperatura, atividade de água, pH, conservantes químicos, etc. (Tabela 1.17) é utilizado para criar

Exemplos de barreiras utilizadas para conservar alimentos

Tipo de barreira

Exemplos

Barreiras físicas

Embalagem asséptica Energia eletromagnética (microondas, radiofreqüência, campos magnéticos pulsantes, campos energéticos) Altas temperaturas (branqueamento, pasteurização, esterilização, evaporação, extrusão, cozimento, fritura) Radiação ionizante Baixas temperaturas (resfriamento, congelamento) Atmosferas modificadas Filmes de embalagem (incluindo embalagem ativa, filmes comestíveis) Inativação fotodinâmica Pressões ultra-altas Ultra-som Radiação ultravioleta

Barreiras físico-químicas Dióxido de carbono Etanol Ácido láctico Lactoperoxidase Baixo pH Baixo potencial redox Baixa atividade de água Produtos de reação de Maillard Ácidos orgânicos Oxigênio Ozônio Fenóis Fosfatos Sal Defumação Nitrato/nitrito de sódio Sulfito de sódio ou potássio Temperos e ervas Agentes surfactantes Barreiras derivadas de micróbios

Antibióticos Bacteriocinas Flora competitiva Culturas protetoras

O número do Capítulo indica a fonte para informações mais detalhadas. Adaptada de Leistner e Gorris (1995).

Capítulo 12, 25 9, 18 10 a 17 8 19, 21 20 24 9 9 9 9 20 7 7 7 15 e 16, 22 1, 16 7

7 7


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uma série de barreiras que garantam a segu- de microrganismos antes do congelamento ou rança microbiológica do alimento processa- secagem. Se, na Figura 1.19, as mesmas bardo. As barreiras também são utilizadas para reiras forem utilizadas com um produto difemelhorar a qualidade do alimento e suas pro- rente, mais rico em nutrientes que possam propriedades econômicas (p. ex., o peso de água mover o crescimento microbiano (Figura que pode ser adicionado ao alimento, consi- 1.19c), elas podem ser inadequadas para derando sua estabilidade microbiana), e para conservá-lo, e uma combinação diferente pode serem bem-sucedidas, elas devem levar em ser necessária ou sua altura deve ser aumenconsideração o número inicial e o tipo de mi- tada. Apesar de as barreiras na Figura 1.19 crorganismo mais provável de ser encontra- serem representadas como uma seqüência, na do no alimento. As barreiras selecionadas de- prática os diferentes fatores podem operar vem ser “altas o suficiente” para que o núme- simultânea, sinérgetica ou seqüencialmente. ro previsto de microrganismos não possa A combinação de tecnologia de barreiras ultrapassá-las. No entanto, as mesmas barrei- e APPCC no desenvolvimento de um processo ras que conservam satisfatoriamente um ali- é descrita por Leistner (1994). Pela combinamento quando preparadas adequadamente ção de barreiras, a intensidade de técnicas de (Figura 1.19a) podem ser superadas por uma conservação individuais pode ser mantida commaior população inicial de microrganismos parativamente baixa para minimizar perdas na (Figura 1.19b), quando, por exemplo, as ma- qualidade do produto, enquanto, no geral, térias-primas não são limpas adequadamente ocorre um grande impacto no controle do cres(Capítulo 3). Nesse exemplo, as principais cimento microbiano. Exemplos de novos probarreiras são a baixa atividade de água e os cessos brandos que mantêm a qualidade do conservantes químicos no produto, com tem- produto estão descritos no Capítulo 9 (procesperatura de estocagem, pH e potencial redox samento mínimo), no Capítulo 18 (aquecimentendo um menor efeito. O branqueamento de to ôhmico) e nos Capítulos 19 e 20 (cozimento verduras ou frutas (Capítulo 10) possui um sous vide e atmosferas modificadas). efeito similar na redução do número inicial (a)

t

aa

pH

Eh

pres.

t

aa

pH

Eh

pres.

(b)

(c)

N V

t

aa

pH

Eh

pres.

Exemplos de barreiras no processamento de alimentos (t = resfriamento, aa= baixa atividade de água, pH = acidificação, Eh = baixo potencial redox, pres. = conservantes, V = vitaminas, N = nutrientes). (Adaptada de Leistner e Gorris, 1995.) FIGURA 1.19

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P. J. FELLOWS

BLANSHARD, J. M. V. (1995) The glass transition, its nature and significance in food processing. In: S. T Beckett (ed.) Physico-Chemical Aspects of Food Agradecemos pelas informações forne Processing. Blackie Academic and Professional, cidas pelo Electricity Council, Londres SW1P London, pp. 17-48. BOARDMAN, J. (1986) Effecting efficient energy usage. 4RD, Reino Unido. Food Process. May 29-31. BOURNE, M.C. (1978) Texture profile analysis. Food Technol. 7, 62. 1.10 NOTAS BOURNE, M.C. (1982) Food Texture and Viscosity. Academic Press, New York. 1. Apesar de esses dois termos serem utilizados BRENNAN, J.G. (1984) Texture perception and indistintamente, “viscosidade” é empregado someasurement. In: J.R. Piggott (ed.) Sensory Analysis mente para fluidos newtonianos – veja adiante. of Foods. Elsevier Applied Science, London, pp. 5992. 2. Acordo Geral sobre Tarifas e Trocas, mais tarde substituído pela Organização Mundial do BRENNAN, J. G. BUITERS, J. R., COWELL, N.D. and LILLEY, A. E. V. (1990) Food Engineering Operations, Comércio (OMC). 3rd edn. Elsevier Applied Science, London. 3. Fatores de processamento cuja perda de controle resulta em um alimento com segurança BRENNDORFER, B., KENNEDY, L., OSWIN-BATEMAN. C. O. and TRIM. D. S. (1985) Solar Dryers, inaceitável ou risco da qualidade. Commonwealth Science Council, Commonwealth 4. Também conhecida como “processo combinaSecretariat, London SW1Y 5HX. do”, “conservação combinada” ou “técnicas de CARDELLO, A.V. (1998) Perception of food quality. In: combinação”. I.A. Taub and R.P. Singh (eds) Food Storage Stability. CRC Press, Boca Raton, FL, pp. 1-38. CLARK, R.C. (1990) Flavour and texture factors in model gel systems. In: A. Turner (ed.) Food 1.11 REFERÊNCIAS Technology International Europe. Sterling Publications International, London, pp. 271-277. ADAMS. H. W. and YAWGER, E.S. (1961) Enzyme COULTATE, T. P. (1984) Food, the Chemistry of its inactivation and colour of processed peas. Food Components, Royal Society of Chemistry, London, Technol. 15,314-317. pp. 102-129. ANON. (1983a) Electric heat pump drying. EC 4549/ DELASHMIT, R., DOUGHERTY. M. and ROBE. K. (1983) 12.83. Electricity Council, London SWIP 4RD. Spiral heat exchanger reuses 79% of ‘Iost’ heat. Food ANON. (1983b) Electric heat pumps for product drying. Processo (USA), October 106-107. Technical Information Ind 43. Electricity Council, DE RITTER, E. (1982) Effect of processing on nutrient London SWIP 4RD. content of food: vitamins. In: M. Rechcigl (ed.) ANON. (1983c) Heat recovery for industry. Technical Handbook of Nutritive Value of Processed Food, Vol. Information Ind 18. Electricity Council, London SWIP 1. CRC Press, Boca Raton, Florida, pp. 473-510. 4RD. DILLON, M. (1996) Role of Training in Business ANON. (1983d) Air knife drying. EC 4401/3.83. Development. NFI Conference, Washington. Electricity Council, London SWIP 4RD. DILLON, M. (1999) Cost Effective Food Control. The ANON. (1996) The Pearson Square - common calculaGlobal Hygiene Forum, Helsinki. tions simplified. Food Chain, 17, (March), from ITDG DILLON, M. and GRIFFTH. C. (1996) How to HACCP, Broughton Hall, Broughton on Dunsmore, Rugby 2nd edn. MD Associates, 32a Hainton Ave., Grimsby CV23 9QZ, UK. DN32 9BB, UK. ANON. (1998) Food and Drink Good Manufacturing DILLON, M. and GRIFFITH, C. (1997) How to Audit, Practice. Institute of Food Science and Technology Verifying Food Control Systems. MD Associates, (IFST), Cambridge Court, London W6 7NJ, UK. Grimsby. BEEVERS, A. (1985) How to save energy. Food Manuf. EARLE, R.L. (1983) Unit Operations in Food Processing, 39, 41-43. 2nd edn. Pergamon Press, Oxford, pp. 24-38, 46-63. BENDER, A.E. (1978) Food Processing and Nutrition. VON ELBE, J. H.. MAING, I. Y. and AMUNDSON, C. H. Academic Press, London, pp. 3-57. (1974) Colour stability of betanin. J. Food Sci. 39, BENDER, A.E. (1987) The nutritional aspects of food 334-337. processing. In: A. Turner (ed.) Food Technology ESSELEN, W. B. and ANDERSON, A. A. (1956) Food International Europe. Sterling Publications Res. 21,322. International, London, pp. 273-275. A.W. (1979) Food Engineering Systems, Vol. VAN DEN BERG, C. (1986) Water activity. In: D. FARRALL, 2. AVI, Westport, Connecticut, pp. 117-128. MacCarthy (ed.) Concentration and Drying of Foods. Elsevier Applied Science, Barking, Essex, pp. 11-36.

1.9 AGRADECIMENTOS


FELLICOTTI, E. and ESSELEN, W. B. (1957) Thermal destruction rates of thiamine in puréed meats and vegetables. Food Technol. 11, 77-84. FELLOWS, P. J., AXTELL, B.L. and DILLON, M. (1995) Quality assurance for small scale rural food industries. FAO Agricultural Services Bulletin 117, FAO, Rome, Italy. FENNEMA, O. R. (1996) Water and ice. In: O. R. Fennema (ed.) Food Chemistry, 3rd edn. Marcel Dekker, New York, pp. 17-94. FLINK, J. M. (1977) Energy analysis in dehydration processes. Food Technol. 31 (3), 77. FRANCIS, D. (1986) Nutrition for Children, Blackwell, Oxford. GREEN, R. H. (1982) Energy performance of heat pumps and continuous dryers. In: J. Ashworth (ed.) Proceedings of the Third international Drying Symposium. Drying Research Ltd, Wolverhampton.

GUPTA, S. M., EL-BISI, H. M. and FRANCIS, F. J. (1964) Kinetics of the thermal degradation of chlorophyll in spinach purée. J. Food Sci. 29, 379. HARRIS, R. S. and KARMAS, E. (1975) Nutritional Evaluation of Food Processing, 2nd edn, AVI, Wesport, Connecticut. HAYHURST, A. N. (1997) Introduction to heat transfer, In: P.J. Fryer, D. L. Pyle and C. D. Rielly (eds) Chemical Engineering for the Food Processing lndustry, Blackie Academic and Professional,

London, pp. 105-152. HENDERSON, S. M. and PERRY, R. L. (1955) Agricultural Process Engineering. John Wiley, New York. JACKSON, A. T. and LAMB, J. (1981) Calculations in Food and Chemical Engineering. Macmillan, London, pp. I-57. JOWITT, R., ESCHER, F., HALLSTROM, B., MEFFERT, H. F. Th., SPIESS, W. and VOS. G. (1983) Physical Properties of Foods. Applied Science, London. KAREL, M. (1975) Water activity and food preservation. In: O. R. Fennema (ed.) Principies of Food Science, Part 2. Marcel Dekker, New York, pp. 237-263. KEFFORD, J. F. (1982) Energy consumption in different food processing technologies. CSIRO Food Res. Q. 42, 60-64. KILCAST, D. (1999) Sensory techniques to study food texture. In: A. J. Rosenthal (ed.) Food Texture. Aspen Publishers, Gaithersburg, MA, pp. 30-64. KRAMER, A. and SZCZESNIAK, A. S. (1973) (eds) Texture Measurement of Foods. D. Reidel, Dordrecht. KUNII, D. and LEVENSPIEL, O. (1969) Fluidization Engineering. John Wiley, New York. LAWLESS, H. T. and HEYMAN, H. (1998) Sensory Evaluation of Food - Principies and Practice. Aspen Publishers, Gaithersburg, MA, pp. 379-405. LEISTNER, L. (1994) In: L. Leistner and L. G. M. Gorris (eds) Food Preservation by Combined Processes, Final Report of FLAIR Concerted Action No 7, Subgroup B, (EUR 15776 EN) Commission of the European Community, Brussels, Belgium, pp. 25.

75

LEISTNER, L. (1995) PrincipIe and applications of Hurdle Technology. In: G. W. Gould (ed.) New Methods of Food Preservation, Blackie Academic and Professional, London, pp. 1-21. LEISTNER, L. and GORRIS, L. G. M. (1995) Food Preservation by Hurdle Technology, Trends in Food Science and Technology, 6, 41-46. LENIGER, H. A. and BEVERLOO, W. A. (1987) Food Process Engineering. D. Reidel, Dordrecht. LEWIS, M. J. (1990) Physical Properties of Foods and Food Processing Systems. Woodhead Publishing, Cambridge, UK. LINDSAY, R. C. (1996) Flavours. In: O. R. Fennema (ed.) Food Chemistry, 3rd edn. Marcel Dekker, New York, pp. 723-765. LONCIN, M. and MERSON, R. L. (1979) Food engineering - Principles and Selected Applications. Academic Press, New York. MACDOUGALL, D. B. (1984) Colour vision and appearance measurement. In: J. R. Piggott (ed.) Sensory Analysis of Foods. EIsevier Applied Science, London, pp. 93-116. MANN, R. and ADEBANJO, O. (1997). Business Excellence in Food and Drink lndustry: Practical ways to improve performance. Leatherhead Food R.A.

MARUNIAK, J. A. and MACKAY-SIM, A. (1984). In: J. R. Piggott (ed.) Sensory Analysis of Foods. Elsevier Applied Science, London, pp. 23-58. MAURON. J. (1982). Effect of processing on nutritive value of food: protein. In M. Rechcigl (ed.) Handbook of Nutritive Value of Processed Foods, Vol. 1. CRC Press, Boca Raton, Florida, pp. 429-471. MILSON, A. and KIRK, D. (1980) Principles of Design and Operation of Catering Equipment. Ellis Horwood, Chichester. MITCHELL, R. T. (1996) HACCP - An lnternational Overview. Flair-FIow Europe, Cardiff Institute of Higher Education. MOHSENIN, N. N. (1970) Physical Properties of Plant and Animal Materials, Vol. 1 Structure, physical characteristics and mechanical properties. Gordon and Breach, London. MOHSENIN, N. N. (1980) Thermal Properties of Foods and Agricultural Materials. Gordon and Breach, London. MORTIMER, S. and WALLACE, C. (1998) HACCP - A Practical Approach, 2nd edn. Aspen Publishers, Gaithersburg, MA. NEDDERMAN, R. M. (1997) Newtonian fluid mechanics. In: P. J. Fryer, D. L. Pyle and C. D. Rielly (eds) Chemical Engineering for the Food Processing lndustry, BIackie Academic and Professional,

London, pp. 63-104. PELEG, M. (1983) Physical characteristics of food powders. In: M. Peleg and E. B. Bagley (eds) Physical Properties of Foods. AVI, Westport, Connecticut. PELEG, M. and BAGLEY, E. B. (1983) Physical Properties of Foods. AVI, Westport, Connecticut.

Tecnologia do Processamento de Alimentos (Capítulo 1)

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