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TATIANA GUINOZA MATUDA
ESTUDO DO CONGELAMENTO DA MASSA DE PO: DETERMINAO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES TERMOFSICAS E DESEMPENHO DE
PANIFICAO
So Paulo
2008
Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia
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TATIANA GUINOZA MATUDA
ESTUDO DO CONGELAMENTO DA MASSA DE PO: DETERMINAO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES TERMOFSICAS E DESEMPENHO DE
PANIFICAO
So Paulo
2008
Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia rea de Concentrao: Engenharia Qumica Orientadora: Profa. Dra. Livre-Docente Carmen Ceclia Tadini Co-orientador: Prof. Dr. Pedro de Alcntara Pessoa Filho
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FICHA CATALOGRFICA
Matuda, Tatiana Guinoza
Estudo do congelamento da massa de po : determinao experimental das propriedades termofsicas e desempenho de panificao / T.G. Matuda. -- So Paulo, 2008.
153 p.
Tese (Doutorado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Qumica.
1.Congelamento (Estudo) 2.Propriedade (Propriedades trmi-
cas;Propriedades fsicas 3.Panificao (Desempenho) I.Univer-sidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Qumica II.t.
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AGRADECIMENTOS
professora Carmen Tadini e ao professor Pedro Pessa Filho pela orientao,
aprendizado e oportunidades ao longo do doutorado.
Ao professor Alain LeBail e sua equipe pelo estgio no ENITIAA/ Frana, pelo
incentivo e reconhecimento.
professora Sebnem Tavman da Universidade de Ege/ Turquia pelas dicas sobre o
mtodo transiente de aquecimento linear.
Ao colega Fernando Mattio com quem muito aprendi durante os experimentos e
elaborao de relatrios.
Aos professores e funcionrios do LEA e do departamento pela amizade e auxlio.
Ao professor Dr. Paulo J. Sobral do Laboratrio de Tecnologia de Alimentos (LTA)
da FZEA/ USP e pesquisadora Dra. Duclerc F. Parra do CQMA/ IPEN pelo uso do
equipamento de DSC e auxlio nas anlises.
professora Dra. Fernanda Collares do Laboratrio de Tecnologia de Cereais,
Razes e Tubrculos (LTCRT) da FEA/ UNICAMP pelo uso dos equipamentos para
caracterizao da farinha de trigo.
professora Dra. Bernadette Franco do Laboratrio de Microbiologia de Alimentos
(LMA) da FCF/ USP pelo uso do equipamento de determinao de atividade de
gua.
Ao professor Antunha, emprstimo da fonte de calor.
Ao Moinho Pacfico e a Danisco Brasil Ltda. que gentilmente doaram as amostras.
Ao CNPq e FAPESP pelo auxlio financeiro.
A todos os amigos do LEA, por compartilharmos tantos momentos, difceis ou
alegres.
minha famlia pela torcida e muita pacincia.
E ao querido Jean por acreditar em nosso melhor!
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Ao querido Deus, pelo cuidado e amor em todos os questionamentos e transformaes.
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RESUMO
O conhecimento de propriedades termofsicas importante na modelagem, na
otimizao e no projeto de equipamentos para processos como a fabricao de
massa de po congelada. Neste trabalho, as propriedades termofsicas
condutividade trmica, difusividade trmica e calor especfico foram determinadas
experimentalmente ao longo do processo de congelamento da massa de po, pois
influenciam diretamente a cintica do processo que, por sua vez, determina a
qualidade do po produzido. Os resultados obtidos mostraram que algumas destas
propriedades variaram em funo do contedo inicial de gua e principalmente
devido mudana da temperatura. O valor mdio encontrado atravs da atividade
de gua das massas (aw = 0,950), para temperatura inicial de congelamento, pode
explicar alguns desvios no ajuste dos dados experimentais a modelos disponveis na
literatura baseados na lei de Raoult, que so estritamente relacionados frao de
gelo formada. O uso combinado de goma guar e xantana reduziu a entalpia de fuso
ao longo do tempo de armazenamento congelado (87,4 J.g-1 e 81,2 J.g-1 para a
formulao sem gomas, no congelada e aps 28 dias de armazenamento
congelado; 84,4 J.g-1 e 76,9 J.g-1 para a formulao com 0,25% de goma guar e
0,25% de goma xantana na massa no congelada e aps 28 dias de
armazenamento congelado), indicando uma interao entre as gomas na
capacidade de ligar gua ao longo do tempo de congelamento. Porm, apesar do
tempo de congelamento ter reduzido a entalpia de fuso, o processo de
congelamento foi o principal fator na queda da taxa de fermentao e da produo
de gs pelas leveduras independentemente do tempo de armazenamento
congelado.
Palavras-chaves: Propriedades termofsicas. Massa de po congelada. Goma guar.
Goma xantana.
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ABSTRACT
The knowledge of thermophysical properties is important to model and optimize
equipment design for frozen food processes. In this work, the thermophysical
bread dough properties, such as, thermal conductivity, thermal diffusivity and
specific heat were experimentally determined during freezing process, due to their
influence on the kinetics process, and therefore on bread quality. The results
showed that some properties varied according to the initial water content and
mainly due to temperature changes. The average value of initial freezing
temperature found by water activity (aw = 0.950) explains the deviations between
experimental data and available models in the literature based on Raoults law,
which is related to the ice mass fraction. The combined use of guar and xanthan
gums reduced the fusion enthalpy along frozen storage time (87.4 J.g-1 and 81.2
J.g-1 for formulation without gum, non-frozen and after 28 frozen storage days;
84.4 J.g-1 and 76.9 J.g-1 for formulation with 0.25 % of guar gum and 0.25 % of
xanthan gum in non-frozen and after 28 frozen storage days). It indicated the
interaction between gums and their ability to hold water along frozen storage.
Despite frozen storage reduced the fusion enthalpy, the freezing process itself was
the main factor in the decrease in proofing rate and gas production by yeast cells.
Keyword: Thermophysical properties. Frozen bread dough. Guar gum. Xanthan gum.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Protenas presentes na farinha de trigo e estrutura das gliadinas e gluteninas, responsveis pela formao do glten. ............................29
Figura 2.2 Estrutura da amilose e da amilopectina presentes no amido da farinha de trigo. ...................................................................................30
Figura 2.3 Mecanismo de ao das enzimas alfa e beta amilase nas cadeias de amilose e amilopectina presentes no amido da farinha de trigo. ...32
Figura 2.4 Diagrama comparativo de diferentes processos de panificao e conservao de po francs (adaptado de GUINET, s.d.). ..............39
Figura 2.5 A: Balana de prato superior para determinao da fora de empuxo em amostras menos densas que o lquido e B: Balana analtica para determinao da fora de empuxo de amostras mais densas que o lquido (RAHMAN, 1995). .............................................48
Figura 2.6 Equipamento do mtodo de Fitch para medio da condutividade trmica (i-isolante, s-amostra, l-lquido,c-cobre) (Rahman, 1995). .....51
Figura 2.7 Equipamento para a determinao de difusividade trmica apresentado por Dickerson (1965)......................................................58
Figura 2.8 Aparato para determinao de calor especfico de amostras congeladas proposto por Moline et al. (RAHMAN, 1995). ..................63
Figura 3.1 [a] Desenho esquemtico do sistema utilizado para aquecer e registrar o aumento da temperatura da amostra (QUEIROZ, 2001); [b] Sonda de aquecimento linear construda em parceria com a IOPE. ..................................................................................................76
Figura 3.2 [a] Sonda de aquecimento linear KS-1 de 6 cm de comprimento e 1,3 mm de dimetro; [b] Sonda de aquecimento linear com duas agulhas SH-1 de 30 mm de comprimento e 1,3 mm de dimetro, sendo a distncia entre as agulhas de 6 mm; [c] Sonda inserida numa amostra de massa de po de formato cilndrico; [d] Micro controlador KD2 Pro (Decagon, EUA); [e] Ensaios para determinao das propriedades termofsicas realizados na cmara climtica TCC 7034 (TIRA CLIMA, Alemanha). ..................................77
Figura 3.3 Desenho esquemtico da sonda de aquecimento linear com duas agulhas SH-1 de 30 mm de comprimento e 1,3 mm de dimetro, sendo a distncia entre as agulhas de 6 mm (FONTANA et al., 1999)...................................................................................................78
Figura 3.4 Exemplo de curva da histria da temperatura durante o congelamento de massa de po (Formulao H4) e o incio do armazenamento congelado. ...............................................................81
Figura 3.5 Exemplo de uma curva de DSC mostrando temperaturas inicial de evento (Tonset), pico (Tpico), transio vtrea e entalpia de fuso do gelo (Hf) (Formulao H1, 0 dias de armazenamento). ....................82
Figura 3.6 Anlise de fermentao e desenvolvimento da massa: [a] preparao da amostra em uma caixa de isopor; [b] massa de po em frascos plsticos; [c] descongelamento da massa em banho criosttico a 10 C; [d] aparato transdutor de deslocamento; [e] frascos plsticos em banho de gua a 30 C para controlar a fermentao da massa. ......................................................................83
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Figura 3.7 Esquema do sistema de Peltier utilizado para manter a temperatura da amostra de massa de po constante a 30 C, durante a aquisio de imagens durante a fermentao.................................... 84
Figura 3.8 Etapas do tratamento da anlise de imagens no programa Visilog Xpert 6.3 (Noesis, Frana) para massa de po fresca, formulao 2 a 5 min do tempo de fermentao...................................................... 84
Figura 3.9 Exemplo de curva do desenvolvimento da massa obtida no reofermentmetro (CHOPIN, 2001).................................................... 86
Figura 3.10 Exemplo de gerao de gs carbnico da massa obtida no reofermentmetro (CHOPIN, 2001).................................................... 87
Figura 4.1 Calor especifico aparente (cpapp) obtidos das curva de DSC de massa de po com diferentes contedos de gua ( F1: 0,422 g gua/ g produto; F2: 0,433 g gua/ g produto; F3: 0,443 g gua/ g produto) antes da correo dinmica. ...................... 94
Figura 4.2 Calor especfico aparente (cpapp) em funo da temperatura obtido das curvas de DSC antes e aps correo dinmica de Wang e Kolbe (1991) para formulao F1....................................................... 95
Figura 4.3 Valores de calor especfico aparente (cpapp) de massa de po [0,433 g gua/ g produto] obtidos experimentalmente e os obtidos a partir do ajuste dos modelos: Aditivo (Raoult), Aditivo (Milles), Chen, Schwartzerg.......................................................... 96
Figura 4.4 Valores obtidos experimentalmente do calor especfico aparente da massa de po em comparao aos preditos por diferentes modelos: Aditivo (Raoult), Aditivo (Milles), Chen e Schwartzberg (linha slida a 45o) e entre 5 J.g.-1.C-1 (linha pontilhada).......................................................................................... 97
Figura 4.5 Dados experimentais e preditos (Raoult, Heldman e Chen) de frao mssica de gelo em funo da temperatura, para massa de po com 0,43 g de gua/ g produto de contedo de gua. ................ 98
Figura 4.6 [a] Calor especfico aparente da gua deionizada obtido das curvas de DSC em diferentes taxas de aquecimento; [b] Temperaturas de pico, onset e endset da gua deionizada em relao taxa de aquecimento..................................................................................... 100
Figura 4.7 [a] Calor especfico aparente da massa de po contendo 45,32 % de gua, determinado no DSC s diferentes taxas de aquecimento. [b] Temperaturas de pico, onset e endset da massa de po em relao taxa de aquecimento. ....................................................... 103
Figura 4.8 Exemplo de curvas da variao da temperatura em relao ao tempo de aquecimento registrada pela sonda A, construda no laboratrio, da glicerina P.A., aquecida taxa de 8,1 0,1 W.m-1 no interior, em um ponto prximo da sonda e ambiente. ................. 104
Figura 4.9 Exemplo de curvas do aumento da temperatura em relao ao tempo de aquecimento registrado pela sonda A para a glicerina p.a., quando aquecida a uma taxa de 8,1 0,1 W.m-1 em um ponto prximo a sonda com e sem o fator de correo proposto por Van der Held e Van Drunen (1949). ........................................................ 105
Figura 4.10 Condutividade trmica aparente das massas de po com diferentes contedos de gua (conforme Tabela 3.1), em diferentes temperaturas: [a] sonda A e [b] sonda B. ......................................... 108
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Figura 4.11 Exemplo de curvas do aumento da temperatura pelo tempo de aquisio da massa de po e as correspondentes curvas da temperatura pelo Ln de tempo, adquiridas com a sonda KS-1, para determinao da condutividade trmica. ..........................................110
Figura 4.12 Condutividade trmica aparente da massa de po com diferentes contedos de gua, em funo da temperatura, determinada atravs da sonda KS-1. ....................................................................111
Figura 4.13 Exemplo de curvas da temperatura pelo tempo de aquisio e respectivas curvas da temperatura pelo Ln de tempo, obtidas com a sonda SH-1, para a determinao da condutividade trmica da massa de po. ..................................................................................112
Figura 4.14 Condutividade trmica de massa de po com diferentes contedos de gua, determinada atravs da sonda KS-1..................................113
Figura 4.15 Condutividade trmica de massa de po com contedos de gua de 0,44 g/ g produto, obtidas das sondas KS-1 e SH-1, e predita pelos modelos Paralelo, Srie, Maxwell Euken e dados da literatura (BAIK et al., 2001).............................................................................114
Figura 4.16 Difusividade trmica aparente da massa de po com diferentes contedos de gua, determinada atravs da sonda KS-1. ...............115
Figura 4.17 Difusividade trmica aparente da massa de po com contedos de gua de 0,44 g/ g produto: experimental e determinada pelo modelo proposto por Choi e Okos (1986). ........................................116
Figura 4.18 Calor especfico volumtrico da massa de po com diferentes contedos de gua, calculada da razo entre condutividade e difusividade trmicas aparentes obtidas pela sonda KS-1................117
Figura 4.19 Densidade aparente da massa congelada obtida da razo entre massa medida diretamente e o volume deslocado em proveta com gua destilada para as diferentes formulaes.................................118
Figura 4.20 Valores de densidade aparente da massa de po com contedo de gua de 0,44 g/ g produto obtidos experimentalmente, calculados de acordo com o modelo de Choi e Okos (1986) e os apresentados por Lind (1988)..................................................................................119
Figura 4.21 Desenvolvimento da massa da formulao H4 (volume por 100g de amostra) durante a fermentao da massa descongelada, aps mantida congelada por 28 dias. Em destaque o trecho reto selecionado para o clculo da taxa de fermentao. ........................125
Figura 4.22 Taxa de fermentao (cm3.min-1 por 100g de produto) de massa de po, de acordo com as formulaes (H1: sem gomas, H2: goma guar, H3: goma xantana e H4: gomas guar e xantana), durante o tempo de armazenamento congelado (no congelada, 7, 14, 21 e 28 dias). ............................................................................................127
Figura 4.23 Imagens de massas de po, formulao H1 (sem gomas), no congelada e descongelada aps 28 dias de armazenamento congelado, durante a fermentao (30 C). ......................................129
Figura 4.24 Imagens de massas de po, formulao H2 (0,5% goma guar), no congelada e descongelada aps 28 dias de armazenamento congelado, durante a fermentao (30 C). ......................................130
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Figura 4.25 Imagens de massas de po, formulao H3 (0,5% goma xantana), no congelada e descongelada aps 28 dias de armazenamento congelado, durante a fermentao (30 C). ..................................... 131
Figura 4.26 Imagens de massas de po, formulao H4 (0,25% de cada goma), no congelada e descongelada aps 28 dias de armazenamento congelado, durante a fermentao (30 C)............ 132
Figura 4.27 Relao entre a rea ocupada pelas bolhas e a total (%), em funo do tempo de fermentao (min) para as formulaes H1 (sem gomas), H2 (com 0,5% goma guar), H3 (com 0,5% goma xantana) e H4 (com 0,25% de cada goma) da massa de po no congelada e da descongelada aps 28 dias de armazenamento congelado......................................................................................... 133
Figura 4.28 Altura relativa presso mxima Hm (mm), tempo Tx (min) correspondente a porosidade da massa, volume total VT (mL) de gs carbnico produzido, coeficiente de reteno da massa RC (%), de acordo com a formulao, ao longo do tempo de armazenamento congelado. ............................................................. 141
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Classificao comercial, caractersticas e aplicao dos diferentes tipos de trigo (PIZZINATTO, 1997). ....................................................30
Tabela 2.2 Propriedades de hidrocolides empregados em alimentos congelados e de panificao (RUPREZ; BRAVO, 2001; SELOMULYO; ZHOU, 2007; DANISCO, sd.). ....................................37
Tabela 2.3 Modelos estruturais para a determinao de condutividade trmica em alimentos (MIYAWAKI; PONGSAWATMANIT, 1994; HAMDAMI; MONTEAU; LeBAIL, 2003). .............................................57
Tabela 2.4 Modelos preditivos para determinar o calor especfico aparente de alimentos congelados, em funo da temperatura. ............................67
Tabela 2.5 Modelos preditivos para calcular a frao de gelo de alimentos congelados. ........................................................................................68
Tabela 3.1 Ingredientes empregados na produo de massas de po para a determinao das propriedades termofsicas: Formulaes F1, F2 e F3 para determinao do calor especfico aparente e Formulaes FI, FII e FIII para determinao das demais propriedades. ......................................................................................72
Tabela 3.2 Quantidade de hidrocolides utilizada em cada formulao. Os valores foram baseados em estudos anteriores para po de massa fresca (ROSELL; ROJAS; BENEDITO DE BARBER, 2001). ..............80
Tabela 4.1 Resultados obtidos nas anlises de caracterizao dos lotes de farinha de trigo empregados na elaborao das massas nos experimentos. .....................................................................................89
Tabela 4.2 Contedo total de gua (xgua) medida por gravimetria; entalpia de fuso (Hf), temperatura inicial de congelamento (Tf), frao de gelo (xgelo), frao de gua no congelvel (xgua no congelvel) obtidas das curvas de DSC; temperatura inicial de congelamento (Tf) e tempo total (tf) obtidos das curvas de tempo-temperatura e atividade de gua (aw) e temperatura inicial de congelamento (Tf) calculada da aw em funo do contedo inicial de gua das massas. ..............................................................................................92
Tabela 4.3 Entalpia de fuso, Tonset, Tpico e Tendset determinados a partir das curvas obtidas da anlise de DSC para gua deionizada...................99
Tabela 4.4 Entalpia de fuso, Tonset, Tpico e Tendset determinados a partir das curvas obtidas na anlise de DSC para a massa de po com contedo de gua de 0,453 g/ g de produto diferentes taxas de aquecimento. ....................................................................................101
Tabela 4.5 Dados de calibrao obtidos das sondas de aquecimento linear construdas, com Glicerina P.A. comparados com os da literatura (klit), nos intervalos de tempo considerados para o calculo dos valores experimentais (kexp). .............................................................106
Tabela 4.6 Contedo de gua das massas de po (conforme Tabela 3.1) utilizadas para determinar condutividade trmica e densidade aparentes. .........................................................................................106
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Tabela 4.7 Contedo de gua das massas de po (conforme Tabela 3.1) utilizadas para determinar condutividade trmica (atravs do sistema KD2 Pro) e densidade aparentes. ....................................... 109
Tabela 4.8 Entalpia de fuso (Hf), contedo de gua congelada (xice), Tonset, temperatura de transio vtrea (Tg) e contedo total de gua (xgua) das curvas de DSC de massa de po congelada conforme formulao e tempo de armazenamento. ......................................... 121
Tabela 4.9 Entalpia de fuso (Hf), contedo de gua congelada (xice), Tonset, temperatura de transio vtrea (Tg) e contedo total de gua (xgua) das massas de po de acordo com as formulaes (H1: sem gomas, H2: goma guar, H3: goma xantana e H4: gomas guar e xantana) durante o tempo de armazenamento congelado (no congelada, 7, 14, 21 e 28 dias). ....................................................... 124
Tabela 4.10 Taxa de fermentao (cm3.min-1 por 100g de produto) de massa de po, de acordo com as formulaes (H1: sem gomas, H2: goma guar, H3: goma xantana e H4: gomas guar e xantana), durante o tempo de armazenamento congelado (no congelada, 7, 14, 21 e 28 dias)............................................................................................. 126
Tabela 4.11 Extensibilidade das massas descongeladas aps congelamento, de acordo com as formulaes e ao longo do tempo de armazenamento congelado. ............................................................. 135
Tabela 4.12 Resistncia extenso das massas descongeladas aps congelamento, de acordo com as formulaes e ao longo do tempo de armazenamento congelado. ....................................................... 137
Tabela 4.13 Atividade de gua das massas de po aps congelamento e descongelamento, de acordo com as formulaes e ao longo do tempo de armazenamento congelado. ............................................ 138
Tabela 4.14 Contedo de gua (%), altura mxima de desenvolvimento Hm (mm), tempo T1 (min) correspondente a Hm, altura relativa presso mxima Hm (mm), tempo Tx (min) correspondente a porosidade da massa, volume total VT (mL) de gs carbnico produzido, coeficiente de reteno da massa RC (%), de acordo com as formulaes. ........................................................................ 140
Tabela 4.15 Altura mxima de desenvolvimento Hm (mm), tempo T1 (min) correspondente a Hm, altura relativa presso mxima Hm (mm), tempo Tx (min) correspondente a porosidade da massa, volume total VT (mL) de gs carbnico produzido, coeficiente de reteno da massa RC (%), ao longo do tempo de armazenamento congelado......................................................................................... 140
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LISTA DE SIGLAS
AACC American Association of Cereal Chemists
ABIP Associao Brasileira das Indstrias de Panificao
CSL Estearoil-2-lactilato de clcio
DATEM steres de cido diacetil tatrtico de monoglicerdios
DSC Calorimetria Exploratria Diferencial
FAO Food Agricultural Organization
FC Fator de correo
GVH Gordura Vegetal Hidrogenada
ICC International Association for Cereal Science and
Technology
ITC Tabela Crtica Internacional
ME Maxwell-Euken
OMS Organizao Mundial da Sade
ONU Organizao das Naes Unidas
PS80 Polisorbato 80
UE Unidade extensogrfica
UF Unidade farinogrfica
URE Umidade Relativa de Equilbrio
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LISTA DE SMBOLOS
difusividade trmica (m2.s-1) parmetro matemtico
tQ fluxo de calor (J.s-1)
xT gradiente de temperatura por unidade de espessura (K.m-1)
tT taxa de temperatura (K.s-1)
tT taxa de aquecimento constante (K.s-1)
H variao de entalpia (J.kg-1) Hf entalpia de fuso (J.kg-1) T variao de temperatura (K ou C) temperatura adimensional densidade (kg.m-3) app densidade aparente (kg.m-3) atraso na leitura de sinal no DSC (s) A rea transversal ao fluxo de calor (m2)
A1 volume de CO2 mantido na massa ao final do teste
A2 volume de CO2 liberado pela massa durante a fermentao
aw atividade de gua
aw atividade de gua desconsiderando a gua ligada
Bi nmero adimensional de Biot
cp calor especfico (J.kg-1.K-1)
cpapp calor especfico aparente (J.kg-1.K-1)
cp*app calor especfico aparente determinado no DSC (J.kg-1.K-1)
cpv calor especfico volumtrico (MJ.m-3.K-1)
D dimetro (m)
d distncia entre sensor de temperatura e fonte de calor (mm)
e espessura da amostra (m)
e equivalente em gua do sistema (kg)
E xslidos/ Mslidos
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E Mgua/ Mslidos solveis
Ff elevao de temperatura devido ao calor de frico da masseira (C) Fo nmero adimensional de Fourier
G peso da amostra na fora de empuxo (kg.m.s-2)
(Hm-h)/ Hm coeficiente de enfraquecimento da massa (adimensional ou %)
h coeficiente convectivo de transferncia de calor (W.m-2.K-1)
h altura do desenvolvimento da massa no final do teste (mm)
H entalpia (J.kg-1)
Hm altura mxima da curva de gerao de CO2 (mm)
Hm altura mxima do desenvolvimento da massa sob compresso (mm)
k condutividade trmica (W.m-2.K-1)
L calor latente de fuso da gua (J.kg-1)
L abscissa de ruptura da bolha (mm)
l comprimento (m)
m massa (kg)
M massa molar (kg.kmol-1)
P presso de vapor da gua em equilbrio com o alimento
P presso mxima (mmH2O)
Po presso de vapor da gua pura mesma temperatura
Q calor fornecido pela fonte (W.m-1)
q taxa de calor (W.m-1)
R constante dos gases (J.kmol-1.K-1)
R% coeficiente de reteno
r dimenso caracterstica (m)
T temperatura (C ou K) T temperatura do ar ambiente (C ou K) T1 Tempo relativo ao crescimento mximo da massa Hm (h)
T1 Tempo necessrio para alcanar Hm (h)
T0 temperatura inicial (C ou K) Tgua temperatura da gua (C ou K) Tc temperatura no centro (C ou K)
Tc temperatura do centro geomtrico, aparato de Dickerson (C ou K)
Te temperatura final de equilbrio (C ou K)
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Tf temperatura inicial de congelamento (C ou K) TFT temperatura da farinha de trigo (C ou K)
Tg temperatura de transio vtrea (C ou K)
Tmassa temperatura da massa desejada ao final do batimento (C ou K)
TR temperatura do lado externo, aparato de Dickerson (C ou K)
Tx Tempo necessrio para o aparecimento de porosidade na massa (h)
t tempo (s)
t0 tempo inicial (s)
tf tempo de congelamento (h)
V volume (m3)
W peso da amostra no ar (kg.m.s-2)
W energia para deformao (10-4J)
x frao mssica
xv frao volumtrica
y deslocamento da curva de DSC em relao linha base
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SUMRIO 1 INTRODUO ..................................................................................................27 2 REVISO DA LITERATURA ............................................................................29 2.1 Composio da Massa de Po.........................................................................29
2.1.1 Farinha de trigo...................................................................................29
2.1.2 gua ...................................................................................................31
2.1.3 Fermento ............................................................................................31
2.1.4 Enzima alfa-amilase............................................................................32
2.1.5 Gordura vegetal, Sal e Acar ............................................................33
2.1.6 Agentes oxidantes ..............................................................................33
2.1.7 Emulsificantes.....................................................................................34
2.1.8 Hidrocolides (Gomas) .......................................................................34
2.2 Processamento do Po de Massa Congelada .................................................39
2.2.1 Mistura ................................................................................................40
2.2.2 Descanso, Diviso e Modelagem........................................................41
2.2.3 Congelamento.....................................................................................41
2.2.4 Embalagem.........................................................................................42
2.2.5 Armazenamento congelado ................................................................43
2.2.6 Descongelamento e Fermentao ......................................................43
2.2.7 Forneamento.......................................................................................44
2.3 Propriedades termofsicas................................................................................45
2.3.1 Temperatura inicial de congelamento .................................................45
2.3.2 Densidade...........................................................................................47
2.3.2.1 Mtodos para determinao da densidade ...................................48
2.3.2.2 Modelo preditivo para densidade de alimentos .............................49
2.3.3 Condutividade trmica aparente .........................................................50
2.3.3.1 Mtodos para determinao da condutividade trmica .................50
2.3.3.2 Modelos preditivos para condutividade trmica aparente de
alimentos .......................................................................................56
2.3.4 Difusividade trmica aparente.............................................................58
2.3.4.1 Mtodos para determinao da difusividade trmica aparente .....58
2.3.4.2 Modelos preditivos para difusividade trmica aparente de
alimentos .......................................................................................60
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2.3.5 Calor especfico, entalpia e frao de gelo ........................................ 61
2.3.5.1 Mtodos para determinao do calor especfico........................... 62
2.3.5.2 Modelos preditivos para calor especfico aparente e frao de
gelo ............................................................................................... 66
3 MATERIAIS E MTODOS ............................................................................... 69 3.1 Materiais .......................................................................................................... 70
3.2 Procedimento experimental ............................................................................. 70
3.2.1 Caracterizao da Farinha de Trigo ................................................... 70
3.2.1.1 Farinografia AACC 57-21 (1995) .................................................. 70
3.2.1.2 Extensografia AACC 54-10 (1995)................................................ 70
3.2.1.3 Alveografia AACC 54-30A (1995) ................................................. 70
3.2.1.4 Falling number (Hagberg) ICC Standard 107/1 (1995) ............... 71
3.2.1.5 Contedo de gua AACC 45-15A (1995)...................................... 71
3.2.1.6 Contedo de protena total AACC 46-13 (1995) ........................... 71
3.2.1.7 Contedo mineral AACC 08-03 (1995) ......................................... 71
3.2.2 Determinao das propriedades termofsicas .................................... 71
3.2.2.1 Determinao das propriedades trmicas: calor especfico
aparente, entalpia de fuso, contedo de gua no congelvel
e frao de gelo ............................................................................ 72
3.2.2.2 Contedo de gua inicial das massas de po............................... 73
3.2.2.3 Medida de atividade de gua ........................................................ 73
3.2.2.4 Histria da Temperatura ............................................................... 73
3.2.2.5 Condutividade Trmica e Difusividade Trmica Aparentes........... 74
3.2.2.6 Densidade aparente...................................................................... 79
3.2.3 Influncia de hidrocolides e do tempo de armazenamento
congelado na massa de po .............................................................. 79
3.2.3.1 Influncia da adio de goma guar e goma xantana sobre o
desempenho da massa durante a fermentao (aumento de
volume, caractersticas dos poros por microscopia ptica) e
parmetros trmicos ..................................................................... 80
3.2.3.1.1 Calorimetria Exploratria Diferencial ......................................... 81
3.2.3.1.2 Desempenho de fermentao ................................................... 82
-
3.2.3.2 Estudo da adio de hidrocolides sobre os parmetros de
fermentao e a textura da massa de po aps ciclo de
congelamento e descongelamento................................................84
3.2.3.2.1 Atividade de gua ......................................................................85
3.2.3.2.2 Textura.......................................................................................85
3.2.3.2.3 Produo de gs, permeabilidade da massa, volume e
tolerncia durante a fermentao ..............................................................86
3.3 Anlise dos resultados .....................................................................................87
4 RESULTADOS E DISCUSSES......................................................................89 4.1 Caracterizao da Farinha de Trigo .................................................................89
4.2 Propriedades termofsicas................................................................................91
4.2.1 Calor especfico aparente, entalpia de fuso, contedo de gua
no congelvel e frao de gelo .........................................................91
4.2.1.1 Temperatura inicial de congelamento............................................99
4.2.2 Condutividade trmica e difusividade trmica aparentes..................104
4.2.2.1 Condutividade trmica aparente medida atravs da sonda de
aquecimento linear construda.....................................................104
4.2.2.2 Sonda de aquecimento linear (KD2Pro) ......................................109
4.2.2.3 Difusividade trmica aparente .....................................................115
4.2.3 Densidade.........................................................................................117
4.3 Influncia da adio de goma guar e goma xantana na massa de po
congelada.......................................................................................................120
4.3.1 Desempenho da fermentao (desenvolvimento do volume e
caractersticas dos poros por microscopia ptica) e parmetros
calorimtricos....................................................................................120
4.3.2 Influncia da adio da goma guar e da goma xantana sobre os
parmetros reolgicos e de textura da massa de po congelada.....134
5 CONCLUSES ...............................................................................................143 6 BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................145
-
27
1 INTRODUO
A produo de pes vem sendo continuamente modificada ao longo dos anos,
promovida por mudanas de hbitos sociais, pela demanda e pelo interesse de
reduzir custos e trabalho (ROSSEL; GMEZ, 2007).
O uso de baixas temperaturas em panificao revolucionou o mercado,
possibilitando maior praticidade, padronizao do produto, convenincia, reduo de
custos, espao e equipamentos, variedade de produtos, agilidade e flexibilidade para
a produo no ponto de venda e a no exigncia de mo-de-obra especializada,
(SELOMULYO; ZHOU, 2007). Por estas razes, estabelecimentos como
supermercados tm optado pela comercializao de massas congeladas e pes pr-
assados.
O segmento de panificao e confeitaria no Brasil responsvel por um
faturamento anual da ordem de R$ 24 bilhes, empregando diretamente
aproximadamente 600 mil pessoas (SINDIPAN, 2004). Em 2000, uma empresa de
massas congeladas para pes, localizada na cidade de So Paulo, aumentou sua
produo em torno de 60 %, produzindo cerca de 9 mil toneladas do produto
(BNDES, 2001).
A massa de po congelada apresenta enfraquecimento na estrutura do glten
e reduo da viabilidade da levedura aps o descongelamento, o que reduz a
produo e reteno de CO2 durante a fermentao e o volume especfico do po
(CASEY; FOY, 1995; RIBOTTA; LEN; AN, 2003). Muitos estudos tm sido
realizados devido importncia econmica na indstria de panificao, totalizando
aproximadamente 100 publicaes no perodo de 1991 at 2006 (ROSSEL;
GMEZ, 2007).
Atualmente, a vida de prateleira de massas congeladas pode chegar at seis
meses, porm, freqentemente reduzida por falhas na cadeia de frio durante o
transporte ou pela flutuao de temperatura durante o armazenamento (ROSSEL;
GMEZ, 2007). Por este motivo, faz-se necessrio o desenvolvimento de
formulaes resistentes a estas flutuaes.
O estudo da transferncia de calor durante o congelamento permite
dimensionar adequadamente o processo e utilizar, de forma eficiente, os
equipamentos industriais e, conseqentemente, controlar os custos operacionais.
-
28
Para isso, necessrio conhecer as propriedades termofsicas do alimento a ser
congelado, pois atravs destas, pode-se estimar o tempo de congelamento, simular
a variao de temperatura durante o processo e o perodo de armazenamento,
permitindo controlar a qualidade e a estabilidade de alimentos congelados (COGN
et al., 2003; HAMDAMI; MONTEAU; LeBAIL, 2004).
Os modelos matemticos preditivos das propriedades termofsicas de
alimentos a temperaturas inferiores inicial de congelamento so bastante
discutidos. Entretanto, devido grande variao na composio dos alimentos,
origens e processamentos, obter dados experimentais e comparar aos valores de
literatura ou ainda ajustar os dados a modelos existentes na literatura, tornam-se
necessrios. Para produtos de panificao, dados disponveis na literatura das
propriedades termofsicas durante o congelamento bastante limitada quando
comparada a outros alimentos (LIND, 1991; BAIK et al., 2001).
O conhecimento das relaes termodinmicas que ocorrem durante o
congelamento de alimentos, em particular aqueles heterogneos e com contedo
inicial de gua baixo como a massa de po, foi o objetivo principal deste trabalho.
OBJETIVOS
Os objetivos almejados neste trabalho foram:
Determinar as propriedades termofsicas da massa de po durante o
congelamento e descongelamento, no somente em relao variao de
temperatura, mas tambm em relao variao do contedo inicial de gua. A
obteno dos valores experimentais de vital importncia para processo, transporte
e armazenamento adequados, de modo a evitar mudanas estruturais na rede de
glten e, portanto, preservar a qualidade final do produto.
Ajustar os dados experimentais a modelos preditivos disponveis na literatura
para as propriedades em funo do contedo de gua e da temperatura.
Estudar a influncia da adio de goma guar e goma xantana (como
crioprotetores) no processo de congelamento e no tempo de armazenamento
congelado sobre as caractersticas reolgicas, trmicas e de fermentao da massa
de po congelada.
-
29
2 REVISO DA LITERATURA
A reviso da literatura apresenta tpicos relativos composio da massa de
po, ao processamento de po de massa congelada e a suas propriedades
termofsicas.
2.1 Composio da Massa de Po
O po francs composto basicamente de farinha de trigo, gua, fermento
biolgico e sal. Entretanto, outros componentes so adicionados em pequena
quantidade para melhorar as caractersticas da massa durante o processamento e
do produto final. Estes componentes so: gordura vegetal, acares, emulsificantes,
estabilizantes, agentes oxidantes e enzimas.
2.1.1 Farinha de trigo
A composio da farinha de trigo varia de acordo com a variedade do trigo e
de seu grau de extrao. As protenas correspondem aproximadamente 12 % da
composio da farinha, dividindo-se em solveis e insolveis do glten, estas ltimas
conferem propriedades de panificao, sendo a glutenina (com pontes dissulfeto
inter e intramoleculares) responsvel pela caracterstica de coeso e elasticidade e a
gliadina (com pontes dissulfeto intramoleculares) pela extensibilidade da massa
(Figura 2.1) (PENFIELD; CAMPBELL, 1990).
Figura 2.1 Protenas presentes na farinha de trigo e estrutura das gliadinas e gluteninas, responsveis pela formao do glten.
Protenas da Farinha de trigo
Albuminas e
Globulinas
No formadoras de glten Formadoras de glten
15 % 85 %
Gliadinas e
Gluteninas
S S
SH
S S
SH HS
S S
SH HS
S S
S
S S
S
S S
S S
-
30
A classificao comercial da farinha de trigo baseada principalmente na
composio de protenas do glten, ou seja, a quantidade e qualidade definiro a
aplicao (Tabela 2.1) (PIZZINATTO, 1997).
Tabela 2.1 Classificao comercial, caractersticas e aplicao dos diferentes tipos de trigo (PIZZINATTO, 1997).
Classificao Caractersticas Aplicao
duro
cor escura e alto teor protico
excelentes caractersticas de panificao
po francs
po de forma
branco
menor contedo protico que o duro
cor mais clara
no possui caractersticas de panificao
bolo
torta
mole baixo contedo protico cracker
biscoito
durum maior teor protico que o trigo duro
baixas caractersticas tecnolgicas para pes
pasta
O principal carboidrato na farinha de trigo o amido, que se apresenta em
forma de grnulos, sendo o tamanho e formato caractersticos da sua origem
botnica. A Figura 2.2 mostra os principais componentes do amido: amilose, um
polmero de cadeia linear com ligaes glicosdicas -1,4 e amilopectina, estrutura altamente ramificada formada por ligaes glicosdicas -1,4 e -1,6 (STAUFFER, 1998).
Figura 2.2 Estrutura da amilose e da amilopectina presentes no amido da farinha de trigo.
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2
O
O
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
O
OOH
OH
CH2OH
O
Amilose
Amilopectina
-
31
Nas formulaes de pes, as quantidades dos demais ingredientes so
calculadas sobre a farinha de trigo, que corresponde base de 100 %.
As caractersticas desejadas na farinha de trigo para produzir massa de po
congelada so alto contedo protico e boa elasticidade a fim de minimizar o
enfraquecimento da massa durante o congelamento devido a aes mecnicas dos
cristais de gelo sobre a rede de glten (LAAKSOMEN, 2001; LU; GRANT, 1999).
2.1.2 gua
Possui a funo de hidratar a farinha, inchando os gros de amido,
assegurando a unio das protenas que daro origem rede de glten na qual se
insere o amido. Ao mesmo tempo promove a formao de um meio mido favorvel
s atividades fermentativas e enzimticas (CALVEL, 1987).
A quantidade de gua absorvida depende da qualidade da farinha de trigo e
determinada pelo mtodo de absoro, atravs do farinograma (AACC, 1995). Uma
farinha de boa qualidade garante boa absoro de gua e reteno da umidade
durante o processamento da massa. Melhores resultados de volume especfico do
po so obtidos quando o nvel de gua absorvido o maior possvel antes da
massa se tornar pegajosa, porm o volume especfico no depende apenas da
absoro de gua, mas tambm do tempo de batimento (LAAKSONEN, 2001).
A parte no absorvida pelos componentes da farinha permanece como gua
livre e nas massas congeladas deve ser reduzida a fim de minimizar a formao de
cristais de gelo, obtendo um melhor resultado no produto final. Segundo Inoue e
Bushuk1 (1996, apud Laaksonen, 2001) e Brack e Hanneforth (1995), a adio de
gua em massas congeladas deve ser reduzida de 1 a 5 % da absoro
determinada no farinograma.
2.1.3 Fermento
A levedura Saccharomyces cerevisiae utilizada como fermento em
panificao para metabolizar acares, sob condies anaerbias, produzindo gs
carbnico (CO2) necessrio para o crescimento da massa e para a obteno de
compostos aromticos caractersticos de produto de panificao fermentado. Est
1INOUE, Y.; BUSHUK, W. Effects of freezing and frozen storage, and thawing on dough and baked goods. In Freezing Effects on Food Quality. JEREMIAH, L.E. Marcel Dekker, New York. p. 367, 1996.
-
32
disponvel no mercado nas formas fresco prensado ou seco. A quantidade
adicionada massa depende do tipo de po. Para massas salgadas varia entre 1 e
4 % em relao quantidade de farinha (CASTRO, 2006).
A reduo da viabilidade e da atividade do fermento, ocasionada pelo
armazenamento em baixas temperaturas, resulta na baixa produo de gs em
massas congeladas e perda de qualidade do po, que pode ser minimizada com o
aumento da quantidade de fermento em at 50 %, ou pela seleo de cepas mais
resistentes aos ciclos de congelamento e descongelamento, particularmente em
longos perodos de armazenamento congelado como 90 dias (NEYRENEUF; VAN
DER PLAAT, 1991; CASEY; FOY, 1995; PENFIELD; CAMPBELL, 1990).
2.1.4 Enzima alfa-amilase
A enzima alfa-amilase atua sobre as molculas de amilose e amilopectina
quebrando-as em cadeias menores denominadas dextrinas. A beta-amilase atua
somente sobre as extremidades das cadeias de amilose e amilopectina formando
molculas de maltose (Figura 2.3).
A maioria das farinhas contm um nvel natural adequado de beta-amilase
enquanto que o de alfa-amilase deve ser ajustado, pois ocorre uma perda no
processo de extrao. Este ajuste assegura o nvel adequado necessrio de acar
para a levedura durante a fermentao (WILLIAMS; PULLEN, 1998).
Figura 2.3 Mecanismo de ao das enzimas alfa e beta amilase nas cadeias de amilose e amilopectina presentes no amido da farinha de trigo.
maltose
amilose
amilopectina
Beta amilase Alfa amilase
Beta amilase
Alfa amilase
Alfa amilase
-
33
2.1.5 Gordura vegetal, Sal e Acar
Segundo Penfield e Campbell (1990), a adio de gordura vegetal aumenta a
extensibilidade da massa, auxilia na reteno dos gases produzidos durante a
fermentao, aumenta o volume especfico e reduz a taxa de endurecimento dos
pes. Em massas congeladas, as saturadas fornecem melhores resultados (De
STEFANIS, 1995).
O sal interage na formao da rede de glten e controla a fermentao devido
ao efeito osmtico na clula da levedura, porm a sua funo mais importante a de
fornecer sabor.
O acar comum (sacarose) adicionado com a funo de substrato para a
fermentao e responsvel pela reao de caramelizao e juntamente com
aminocidos pela reao de Maillard, conferindo cor e sabor caractersticos no final
do assamento (QUAGLIA, 1991).
2.1.6 Agentes oxidantes
As maiores contribuies de oxidantes em panificao esto na substituio
do processo de maturao da farinha de trigo, que ocorre normalmente de 1 a 2
meses aps a sua produo; no branqueamento da farinha para remoo da
colorao amarelada e no fortalecimento da matriz de glten para resistir o estresse
do batimento rpido (STAUFFER, 1990).
O fortalecimento da matriz de glten a contribuio de maior interesse no
comportamento da massa durante o seu processamento, melhorando as suas
propriedades reolgicas e a qualidade final do produto. O cido ascrbico
empregado como agente oxidante que fortalece a rede de glten atravs da criao
de ligaes dissulfdicas, responsvel pelo aumento no tamanho do po nos
primeiros minutos de assamento (NAKAMURA; KURATA, 1997). As vantagens e
desvantagens do uso do cido ascrbico em panificao foram enumeradas por
Williams e Pullen (1998).
Matuda et al. (2006) estudaram as propriedades reolgicas de massas
congeladas contendo cido ascrbico (0 a 300 ppm) ao longo de 13 dias de
armazenamento. A resistncia extenso aumentou com a adio de cido
ascrbico, indicando a ao do agente oxidante sobre a rede de glten, porm ao
longo do armazenamento, a resistncia diminuiu para todas as formulaes
estudadas.
-
34
2.1.7 Emulsificantes
Os emulsificantes so utilizados em panificao a fim de minimizar o
envelhecimento dos pes, melhorar o manuseio e a fora da massa, aumentar a
tolerncia ao tempo de descanso e de fermentao entre outras caractersticas.
Normalmente faz-se uso de mais de um tipo, pois todas estas caractersticas
desejveis no so encontradas em um nico emulsificante.
Apresentam propriedades lipoltica e hidroltica, reduzindo a tenso interfacial
e so divididos em duas classes: os que formam complexos com o amido,
favorecendo a maciez do miolo e retardando o envelhecimento como, por exemplo,
os monoglicerdeos e os que atuam na interao das protenas, fortalecedores de
massa, que aumentam a habilidade do glten de formar um filme que retm a
produo de gs pela levedura como, por exemplo, steres de cido diacetil tartrico
de mono e diglicerdios (DATEM), esteroil-2-lactil lactato de sdio (SSL), esteroil-2-
lactil lactato de clcio (CSL) e o polisorbato (PS), que so empregados em massas
congeladas (STAMPFLI; NERSTEN, 1995).
Matuda et al. (2005) verificaram a influncia dos emulsificantes CSL,
polisorbato 80 (PS80) e gordura vegetal sobre as propriedades reolgicas da massa
de po congelada ao longo do tempo de armazenamento. A resistncia extenso
das massas foi influenciada pelo uso dos emulsificantes e pelo tempo de
armazenamento. Em outro trabalho, os mesmos autores (MATUDA et al., 2004)
realizaram estudo para otimizar o uso de emulsificantes em massas congeladas para
pes ao longo do armazenamento atravs de um projeto de mistura. A formulao
tima foi uma mistura binria de PS80 e DATEM.
Brandt (1996) relata os fatores considerados importantes para a seleo de
emulsificantes e no Brasil o seu uso regulamentado pela Agncia Nacional de
Vigilncia Sanitria (BRASIL, 1999a).
2.1.8 Hidrocolides (Gomas)
Os hidrocolides so um importante grupo de polissacardeos no
estruturados, em geral ramificados, de alto peso molecular, encontrados na forma
natural em diversas plantas (sementes, parede celular, ou produtos excretados) e
algas ou como produto de fermentao bacteriana (RUPREZ; BRAVO, 2001).
Sua utilizao na elaborao de pes est relacionada ao controle do
envelhecimento, modificao da textura, ao aumento da reteno de umidade e ao
-
35
controle da mobilidade da gua. So capazes de modificar a gelatinizao do amido
e serem utilizados como fonte de fibra diettica, substitutos de gorduras e de glten
(GUARDA et al., 2004; ROSELL; ROJAS; BENEDITO de BARBER, 2001).
A alta capacidade de reteno de gua dos hidrocolides confere
estabilidade aos produtos que so submetidos a sucessivos ciclos de congelamento-
descongelamento (LEE et al., 2002). Sua adio em massas congeladas reduz a
quantidade de gua congelvel, o que ocorre devido a sua ligao gua livre,
reduzindo assim a formao de cristais de gelo e conseqentemente os danos
causados na rede de glten (SHARADANANT; KHAN, 2003a).
Geralmente, nos estudos de aplicao de hidrocolides em panificao, as
interaes entre diferentes tipos no so investigadas apesar do uso combinado de
gomas apresentar efeitos sinrgicos, potencializando a viscosidade e a capacidade
geleificante como, por exemplo, a mistura de gomas xantana e guar (RUPREZ;
BRAVO, 2001).
Rosell, Rojas e Benedito de Barber (2001) estudaram a influncia de alginato
de sdio, -carragena, goma xantana e hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) nas propriedades panificveis da farinha de trigo e na qualidade final dos pes. A adio
de 0,5 % destes hidrocolides aumentou o volume especfico bem como a reteno
de umidade e atividade de gua, com exceo do alginato. Foi verificado um
aumento de 1,5 a 4,5 % na absoro da farinha de trigo com a adio das gomas.
Sharadanant e Khan (2003a, b) realizaram estudos sobre os efeitos do uso
das gomas carboximetil celulose (CMC), arbica, -carragena e alfarroba (locust bean) em trs nveis (1, 2 e 3 %) em massas de pes congeladas e armazenadas
por 16 semanas. As massas com goma alfarroba apresentaram maior resistncia
extenso, melhor reteno de gs e desempenho para panificao, sendo a mais
indicada pelos autores para obteno de massa de po com qualidade, enquanto
que a -carragena apresentou os piores resultados. Dodi et al. (2007) verificaram os efeitos dos hidrocolides goma xantana
(0,02 %, 0,06 % e 0,1 %), goma -carragena (0,2 %, 0,6 % e 1,0 %) e CMC (0,2 %, 0,6 % e 1,0 %) e do tempo de armazenamento congelado at 30 dias sobre a
atividade do fermento e o tempo de crescimento da massa de po. Similarmente
massa sem adio de hidrocolides, todas as formulaes apresentaram, ao longo
do tempo de armazenamento, reduo da atividade do fermento. Entretanto, o
-
36
volume especfico dos pes foi maior com adio dos hidrocolides em todos os
intervalos de tempo estudados. Os autores concluram que a concentrao de goma
xantana necessria foi 10 vezes menor que das outras gomas para obteno dos
mesmos resultados.
Lee et al. (2002) reportaram que a goma guar e a goma xantana so bons
estabilizantes em gis de amido de batata doce depois de repetidos ciclos de
congelamento e descongelamento. Quando a goma xantana utilizada em excesso
(0,6 %) pode causar efeitos adversos na estabilidade e na geleificao enquanto que
a goma guar mostrou-se no apenas um excelente estabilizante aps ciclos de
congelamento e descongelamento, mas tambm aumentou na viscosidade do gel.
A aplicao de hidrocolides e emulsificantes aumentou o volume e melhorou
a textura dos pes obtidos de massas frescas e congeladas, porm no foi suficiente
para evitar o efeito do armazenamento nos parmetros reolgicos, nos danos na
estrutura e na reduo do tempo de fermentao (RIBOTTA et al., 2004; RIBOTTA;
LEN; AON, 2001; SHARADANANT; KHAN, 2003a).
O uso de hidrocolides est regulamentado pela Agncia Nacional de
Vigilncia Sanitria (BRASIL, 1999b) como aditivo utilizado segundo as boas prticas de fabricao, ou seja, podem ser utilizados sem limitao de uso. Os
principais hidrocolides utilizados em alimentos congelados esto descritos na
Tabela 2.2 (RUPREZ; BRAVO, 2001; DANISCO, sd.; SELOMULYO; ZHOU, 2007).
-
37
Tabela 2.2 Propriedades de hidrocolides empregados em alimentos congelados e de panificao (RUPREZ; BRAVO, 2001; SELOMULYO; ZHOU, 2007; DANISCO, sd.).
Goma Origem Propriedades Dosagens utilizadas
Guar Vegetal Solvel em gua fria
Alta viscosidade
Reduz sinerese
Melhora textura
Aumenta o volume especfico do po
Aumenta a porcentagem de clulas de gs no po
Apresenta sinergia com goma xantana
0,5 - 1,5 %
Alfarroba Vegetal Solvel em gua quente
Apresenta sinergia com goma xantana
Estabilidade ao congelamento-descongelamento
Reduz sinerese
Produz resistncia ao corte
Reduz o tempo de fermentao
Aumenta o volume especfico do po
1,0 - 3,0 %
Carragena Algas Solvel em gua quente
Geleifica com Ca (-) ou K (-) Aumenta o contedo de gua no po
Reduz o contedo de gua congelvel
Aumenta a resistncia extenso da massa
Aumenta o tempo de fermentao
Aumenta o volume especfico do po
0,5 - 3,0 %
Xantana Microbiana Solvel em gua fria
Alta viscosidade
Resistente 0-100C
Aplicao rpida aps pr mistura
Estvel ao congelamento-descongelamento
Controla sinerese
Aumenta o volume especfico de pes em baixas
concentraes
Apresenta sinergia com goma guar e alfarroba
0,04 - 0,65 %
-
38
A goma xantana um polissacardeo, produto extracelular secretado pela
bactria Xanthomonas campestris, o qual resulta em solues de alta viscosidade
praticamente estvel numa ampla faixa de pH e temperatura (PASQUET, 1999) e
tambm resistente degradao enzimtica (SELOMULYO; ZHOU, 2007). O uso da
goma xantana em massas de pes resulta no seu fortalecimento devido a uma forte
interao com as protenas presentes na farinha de trigo, portanto, seu uso
adequado em processos de longa fermentao. Esta goma tambm aumenta a
absoro de gua, melhora a habilidade da massa em reter gs e,
conseqentemente, aumenta o volume especfico do po e a atividade de gua do
miolo (COLLAR et al., 1999; ROSELL; ROJAS; BENEDITO DE BARBER, 2001).
A goma guar um polissacardeo produzido do endosperma de sementes de
Cyamopsis tetragonolobus, altamente viscoso em baixas concentraes e til na
aplicao como espessante, estabilizante e ligante de gua. usado para melhorar
a mistura e tolerncia da massa de po, aumentar a vida de prateleira pela reteno
da gua e pela preveno de sinerese em alimentos congelados (RUPREZ;
BRAVO, 2001; MANDALA, 2005).
-
39
2.2 Processamento do Po de Massa Congelada
No processo convencional, a massa de po pode ser obtida por diferentes
mtodos de mistura: o mtodo direto, no qual os ingredientes so misturados em
uma nica etapa e a ordem de incorporao de cada ingrediente depende do
equipamento e do produto e o mtodo esponja, no qual a mistura dos ingredientes
se d em duas etapas, na primeira feita uma mistura do fermento, certa quantidade
de farinha e gua, aps o descanso por algumas horas, o restante dos ingredientes
incorporado a esta mistura (GIANNOU; KESSOGLOU; TZIA, 2003).
O processamento do po de massa congelada pelo mtodo direto similar ao
convencional at a etapa que antecede o congelamento. A Figura 2.4 compara
diferentes processos de panificao e conservao: no mtodo direto, toda a
produo se d na padaria ou fbrica; nos demais, apenas as etapas em destaque
so realizadas no ponto de venda e as demais na fbrica (adaptado de Guinet, s.d.).
Figura 2.4 Diagrama comparativo de diferentes processos de panificao e conservao de po francs (adaptado de GUINET, s.d.).
Mistura
Diviso
Modelagem
Todo processo se d na Padaria
ou Fbrica
Mtodo Direto
Embalagem
1 ms
Massa congelada fermentada Massa
congelada no fermentada
Embalagem
Congelamento > 3 meses
Embalagem
Assamento
Loja
> 3 meses
Pr assado congelado
Descanso
Assamento
Assamento
Loja
Embalagem
4 dias
Pr assado
Descongelamento
Fermentao
Assamento
Loja
Fermentao
Assamento
Loja
Congelamento
Pesagem dos ingredientes
Pr Assamento
Congelamento
Mistura
Diviso
Modelagem
Todo processo se d na Padaria
ou Fbrica
Mtodo Direto
Embalagem
1 ms
Massa congelada fermentada Massa
congelada no fermentada
Embalagem
Congelamento > 3 meses
Embalagem
Assamento
Loja
> 3 meses
Pr assado congelado
Descanso
Assamento
Assamento
Loja
Embalagem
4 dias
Pr assado
Descongelamento
Fermentao
Assamento
Loja
Fermentao
Assamento
Loja
Congelamento
Pesagem dos ingredientes
Pr Assamento
Congelamento
Mistura
Diviso
Modelagem
Todo processo se d na Padaria
ou Fbrica
Mtodo Direto
Embalagem
1 ms
Massa congelada fermentada Massa
congelada no fermentada
Embalagem
Congelamento > 3 meses
Embalagem
Assamento
Loja
> 3 meses
Pr assado congelado
Descanso
Assamento
Assamento
Loja
Embalagem
4 dias
Pr assado
Descongelamento
Fermentao
Assamento
Loja
Fermentao
Assamento
Loja
Congelamento
Pesagem dos ingredientes
Pr Assamento
Congelamento
-
40
2.2.1 Mistura
A mistura consiste em homogeneizar os ingredientes, dispersar, solubilizar e
hidratar uniformemente os componentes da massa. O trabalho mecnico contribui
para o desenvolvimento da estrutura do glten e incorpora bolhas de ar. Assim, uma
mistura heterognea e espessa de gua e farinha convertida em uma massa
viscoelstica homognea de aspecto seco (MARSH, 1998). No caso do processo
direto so utilizadas duas velocidades de mistura: a primeira para homogeneizao
dos ingredientes e absoro da gua e a segunda para o trabalho mecnico da
massa.
Durante a mistura, a formao do glten acontece em diferentes estgios: no
primeiro, as molculas de protena so hidratadas e as suas fibrilas aderem umas s
outras formando uma rede desorganizada de fios espessos. A ao mecnica torna
os fios mais finos e os orienta na direo em que so submetidos fora, permitindo
a interao entre eles. No ltimo estgio aparece o pico de consistncia, no qual as
fibrilas de protena tm seu dimetro reduzido significativamente e interagem mais
bidimensionalmente do que em um nico eixo. Neste estgio, mais conhecido como
ponto de vu, a massa pode ser estendida em forma de filme contnuo. Se a mistura
continuar aps o pico de resistncia, a massa torna-se mole, menos resistente
ao mecnica e perde a habilidade de reter gs durante a fermentao (STAUFER,
1998).
A temperatura da massa para congelamento no final do batimento deve ser
inferior (20 C) da massa produzida de modo convencional (27 C a 30 C), a fim de inibir a produo de gs pela levedura. Para isso, necessrio o uso de gua
gelada ou de masseira provida de camisa de resfriamento. A massa para
congelamento apresenta maior rigidez devido reduo de gua adicionada e
menor temperatura no final da mistura (SALAS-MELLADO, 2003).
A temperatura final da massa aps a etapa de mistura determinada
considerando o calor de frico, gerado pelo motor da masseira, o calor especfico
de cada ingrediente e o de hidratao liberado quando uma substncia slida
absorve gua (Equao 2.1). A temperatura da gua deve ser controlada e, quando
a temperatura da farinha for elevada, deve-se utilizar gelo, o que envolver tambm
o calor de fuso para ajustar a temperatura final da massa (QUEIROZ, 2001).
-
41
fFTmassagua FTT2T = (2.1)
Em que Tgua a temperatura que a gua deve ser adicionada (C), Tmassa a temperatura da massa desejada ao final do batimento (C), TFT a temperatura da farinha de trigo (C) e Ff a elevao da temperatura devido ao calor de frico (C) da masseira.
2.2.2 Descanso, Diviso e Modelagem
O descanso uma etapa essencial para produo de pes pelo mtodo
convencional, pois durante a mistura, a rede protica da massa sofre uma tenso
severa. Neste perodo, as molculas de protena readquirem sua forma flexvel
permitindo a modelagem da massa sem rupturas na superfcie. A temperatura tima
do descanso em torno de 26 C e a umidade relativa ajustada de forma a no provocar o ressecamento nem a pegajosidade da massa.
A fermentao antes do congelamento deve ser evitada, pois ao contrrio de
clulas de levedura pura que so consideradas crioresistentes, as ativadas,
presentes na massa de po, podem se autolisar devido alta concentrao de
produtos metablicos formados durante a fermentao, que se concentram no meio
no congelado durante o processo de congelamento (NEYRENEUF; VAN DER
PLAAT, 1991; SHARADANANT; KHAN, 2003a; BAIER-SCHENK; HANDSCHIN;
CONDE-PETIT, 2005). Por este motivo, a etapa de descanso omitida ou reduzida
no processo de massas congeladas (CALVEL, 1987).
Aps a mistura ou descanso, a massa dividida em pedaos com peso
definido e modelada para se obter o formato desejado. A diviso e a modelagem
modificam a estrutura de alvolos de gs e contribuem para o bom desenvolvimento
da rede de glten. A modelagem excessiva deve ser evitada por gerar calor e
promover a fermentao antes do congelamento (GIANNOU; KESSOGLOU; TZIA,
2003).
2.2.3 Congelamento
O enfraquecimento da estrutura da massa de po durante o congelamento
pode ser explicado pelos danos causados na rede de glten pela ao mecnica de
cristais de gelo formados durante o congelamento (BERGLUND; SHELTON;
FREEMAN, 1991; RIBOTTA et al., 2004) ou pela ruptura de ligaes dissulfdicas
-
42
provocadas pelos compostos redutores provenientes das clulas de levedura
(INOUE; BUSHUK, 1991; KENNY et al., 1999). Entretanto, Autio e Sinda (1992)
verificaram que a presena de clulas de leveduras mortas na massa no afetou as
propriedades reolgicas, indicando que mudanas estruturais na massa congelada e
descongelada esto relacionadas apenas a ao mecnica dos cristais de gelo,
efeito que pode ser minimizado, por exemplo, com a adio de agente oxidante.
As taxas de congelamento e descongelamento afetam a viabilidade do
fermento e ao contrrio da maioria dos alimentos, o congelamento rpido no
recomendado para massas de pes devido presena das leveduras. Durante o
congelamento lento, a gua intracelular das leveduras migra para fora e forma gelo
que permanece no exterior, pois a membrana da clula apresenta uma barreira
efetiva a ele. Por outro lado, no congelamento rpido, ocorre formao de pequenos
cristais de gelo no interior da clula que durante o descongelamento se recristalizam
formando grandes cristais que podem ser letais (CASEY; FOY, 1995; LORENZ;
KULP, 1995). Casey e Foy (1995) reportaram taxas de congelamento timas entre
7 e 4 C.min1, enquanto Giannou, Kessoglou e Tzia (2003), afirmam que taxas inferiores a 2 C.min1 deve ser empregada para obteno de maior sobrevivncia de leveduras e qualidade do produto final.
Havet, Mankai e LeBail (2000) estudaram a influncia do congelamento sobre
a massa de po francs em relao atividade do fermento, a reologia da massa e
a qualidade do po utilizando diferentes mtodos comparativos. Os autores
indicaram que a formao de cristais de gelo causa o enfraquecimento da rede de
glten e conseqentemente o declnio na qualidade do po devido perda da
elasticidade da massa e da atividade do fermento, com o aumento da taxa de
congelamento.
2.2.4 Embalagem
Os materiais geralmente utilizados para produtos congelados so plsticos
(filmes, membranas etc.) e alumnio. A embalagem deve fornecer uma barreira
efetiva e funcional contra contaminao, perda ou ganho de umidade pelo produto e
apresentar resistncia ao impacto e compresso (GIANNOU; KESSOGLOU; TZIA,
2003).
-
43
2.2.5 Armazenamento congelado
A qualidade dos pes produzidos de massa congelada decresce ao longo do
armazenamento congelado. Longos perodos de armazenamento resultam em pes
de baixo volume especfico devido perda de resistncia extenso da massa e o
aumento do tempo de fermentao (INOUE; BUSHUK, 1991; KENNY et al., 1999;
RIBOTTA; LEN; AN, 2001; BHATTACHARYA; LANGSTAFF; BERZONSKY,
2003; SHARADANANT; KHAN, 2003b; RIBOTTA et al., 2004).
Lu e Grant (1999) avaliaram os efeitos do armazenamento em temperaturas
de congelamento, na textura de massas congeladas e observaram que a resistncia
extenso mxima aps o descongelamento diminuiu com o tempo de
armazenamento. Entretanto, trigos com glten forte apresentaram melhores
resultados no produto final.
Kenny et al. (1999) estudaram medidas reolgicas em massas frescas e
congeladas contendo cido ascrbico, SSL e DATEM. A resistncia extenso foi
maior em massas com aditivos, tanto frescas quanto congeladas, e todas as massas
apresentaram decrscimo na resistncia ao longo do tempo de armazenamento e
queda na qualidade do produto. Assim, os aditivos utilizados apresentaram efeitos
positivos no crescimento, no volume e na firmeza.
Matuda (2004) estudou a influncia do DATEM, CSL e PS80 e do cido
ascrbico, nos parmetros de textura de massas congeladas ao longo do
armazenamento que variou de 13 a 22 dias. Verificou-se que a resistncia
extenso foi influenciada pelos aditivos e que o volume especfico dos pes
decresceu ao longo do tempo de armazenamento.
Sharadanant e Khan (2003a) verificaram que o uso de gomas melhorou a
qualidade das massas atravs de sua ligao gua e reduo da cristalizao e
recristalizao. O evento foi observado e quantificado pelas endotermas
correspondentes gua congelvel obtidas para as massas atravs de calorimetria
exploratria diferencial, ou seja, a entalpia de fuso aumentou com o tempo de
armazenamento.
2.2.6 Descongelamento e Fermentao
A partir do armazenamento, o processo realizado no ponto de venda. O
descongelamento necessrio para um melhor desempenho da massa devido
reidratao do sistema, principalmente da matriz de glten e do fermento.
-
44
As condies de tempo-temperatura devem ser definidas de forma a no
haver condensao na superfcie e proporcionar temperatura homognea no
assamento do po, ou seja, evitar superfcie assada e miolo cru.
O tempo de fermentao de massas congeladas maior que o das frescas,
devido perda na capacidade de reteno de gs, a menor atividade do fermento e
a menor temperatura na massa logo aps o descongelamento (NEYRENEUF; VAN
DER PLAAT, 1991; PENFIELD; CAMPBELL, 1990; CASEY; FOY, 1995).
2.2.7 Forneamento
O desenvolvimento do po resulta da acelerao da produo de gs
carbnico e da expanso das bolhas de gs presentes na massa. Entretanto,
quando a temperatura interna atinge de 50 a 60C as leveduras so destrudas e
cessa a produo de gs carbnico. A gelatinizao do amido e a coagulao do
glten marcam o fim da plasticidade da massa e o po atinge o volume final.
Finalmente ocorre a formao da crosta devido ao ressecamento da superfcie e
pela formao da cor devido a caramelizao dos acares e a reao de Maillard
(CALVEL, 1987).
A gelatinizao uma combinao do evento de fuso da poro cristalina e
da transio vtrea da poro amorfa do grnulo de amido. O grnulo de amido no
solvel em gua fria, porm, quando aquecido em meio aquoso, absorve gua,
intumesce e as pontes de hidrognio so rompidas, permitindo a incorporao de
gua pelo amido. Esta incorporao aumenta a separao entre as cadeias e a
aleatoriedade e diminui o nmero e o tamanho das regies cristalinas. Quando a
temperatura de fuso dos cristais de amido excedida, o estado do sistema
prximo ao de um slido, ponto conhecido como temperatura de gelatinizao. Em
pes, a gelatinizao marca a transformao entre estrutura viscoelstica e esponja
slida, variando de 60 a 90 C (PATERAS, 1998). Autio e Sinda (1992) mostraram que o congelamento e o descongelamento
provocam atraso na gelatinizao do amido, aumentando a sua temperatura, fato
atribudo difuso de gua ou ao aumento da cristalinidade no grnulo de amido.
-
45
2.3 Propriedades termofsicas
As propriedades termofsicas dos alimentos, utilizadas para calcular o tempo
de congelamento e para dimensionar processos, dependem da composio qumica
e da temperatura do alimento. Por essa razo, essas propriedades devem ser
conhecidas em situaes diversas e modelos matemticos devem ser usados para
correlacion-las ou, eventualmente, prediz-las (BECKER; FRICKE, 1999; PHAM,
1996). As principais propriedades de interesse nos processos de congelamento e
descongelamento so: calor especfico (presso constante), entalpia relativa,
entalpia de fuso, condutividade trmica e difusividade trmica aparentes, as trs
primeiras propriedades so de estado e as outras de transporte (LIND, 1991).
Mtodos de determinao de propriedades termofsicas so amplamente
descritos na literatura (NUNES et al., 2002; RAHMAN, 1995; OHLSSON, 1983). Lind
(1991), particularmente revisou mtodos de determinao e predio de
propriedades termofsicas de massas de po durante o congelamento e o
descongelamento.
Devido condutividade trmica e ao calor especfico do ar serem baixos em
relao aos da gua e para compostos orgnicos, os valores so intermedirios,
possvel predizer as propriedades termofsicas em funo da variao do contedo
de gua e de ar nos alimentos (DECAGON, 1999). Em alimentos com elevada
quantidade de gua, as propriedades so dependentes da temperatura,
principalmente na regio onde ocorre mudana de fase da gua e so bastante
influenciadas pela quantidade de gua congelada.
2.3.1 Temperatura inicial de congelamento
O contedo de gua de um alimento dado pela determinao da gua total,
o que no indica a forma como ela est distribuda. A gua pode ser classificada
como gua livre, fracamente ligada ao substrato, atuando como solvente, permitindo
reaes qumicas e sendo eliminada facilmente e gua combinada, fortemente
ligada ao substrato, difcil de ser eliminada e que no congela, conhecida tambm
como gua no congelvel. A atividade de gua definida como a quantidade de
gua livre presente no alimento e dada pela Equao 2.2 (BOBBIO; BOBBIO,
1991):
-
46
100UREa
matriadequantidadematriadequantidadematriadequantidade
PPlivreguaa
w
solutosolvente
solvente
ow
=
+=== (2.2)
Em que aw a atividade de gua, P a presso de vapor da gua em equilbrio
com o alimento, Po presso de vapor da gua pura mesma temperatura e URE a
umidade relativa de equilbrio (%).
Generalizando, alimentos so constitudos de gua, slidos solveis e
insolveis. Durante o congelamento, os slidos permanecem dissolvidos na gua
lquida restante e a soluo remanescente torna-se cada vez mais concentrada. A
equao de depresso do ponto de congelamento ao longo da curva de equilbrio
slido-lquido (Equao 2.3) (BARTLETT2, 1944 apud CHEN, 1985a) vlida para
esta condio:
2guaw
TRLM
dT)d(lna
= (2.3)
Sendo aw a atividade de gua, M a massa molar (kg.kmol1), L o calor latente
de fuso da gua (J.kg-1), R a constante dos gases ideais (J.kmol1.K1) e T a
temperatura (K).
Assumindo a lei de Raoult, vlida quando uma soluo diluda pode ser
considerada como soluo ideal, a atividade de gua dada pela Equao 2.4:
solveisslidos
gua
solveisslidosgua
gua
solveisslidossolveisslidoguagua
guaguaw
MM
xxx
/Mx/Mx/Mx
a
=
+=+=
E
E (2.4)
Em que x frao mssica do componente.
2 BARTLETT, L.H. A thermodynamic examination of the latent heat of food, Refrig. Eng. v. 4, p. 377, 1944.
-
47
Para um alimento contento uma dada quantidade de gua ligada,
Schwartzberg (1976) modificou a Equao 2.4:
solveisslidosligadaguagua
ligadaguaguaw xxx
xxa'
E+= (2.5)
Em que aw a atividade de gua desconsiderando a frao de gua ligada.
Substituindo a Equao 2.5 na Equao 2.3 determina-se a taxa de formao de
gelo (BOONSUPTHIP; HELDMAN, 2007).
A temperatura inicial de congelamento pode ser determinada
experimentalmente a partir da histria de temperatura medida no centro geomtrico
do alimento durante o congelamento, atravs da determinao do patamar de
mudana de fase (LEIVA; HALLSTRM, 2003) ou a partir da Equao 2.3.
A predio do tempo total de congelamento, considerando o tempo
necessrio para atingir uma dada temperatura no ponto de resfriamento mais lento
do alimento de diferentes geometrias, est amplamente descrita na literatura
(CLELAND; EARLE, 1979; PHAM, 1984; PHAM, 1985; PHAM, 1986; PHAM, 1996) e
est estritamente relacionada s propriedades termofsicas.
O tempo total de congelamento pode ser dividido em trs etapas: pr-
resfriamento incio do processo at atingir a temperatura inicial de congelamento;
tempo de congelamento mudana de fase da gua em gelo e tempo de sub-
resfriamento aps o congelamento at atingir a temperatura final, normalmente no
centro do alimento a 10 C ou 18 C (LEIVA; HALLSTRM, 2003).
2.3.2 Densidade
A densidade real () a relao entre massa e volume de um material (Equao 2.6), e a densidade aparente (app) a densidade do material incluindo todos os poros presentes no mesmo (RAHMAN, 1995; BOUKOUVALAS et al.,
2006). Para massa de po no fermentada, a densidade real igual densidade
aparente, pois no contm ar no seu interior.
Vm= (2.6)
-
48
Em que a densidade do material (kg.m-3), m a massa (kg) e V o seu volume (m3).
2.3.2.1 Mtodos para determinao da densidade
A densidade de um material de geometria regular pode ser determinada pela
razo entre sua massa medida e o seu volume calculado atravs das suas
dimenses. Esse mtodo no indicado para materiais moles, ps, lquidos e de
formatos irregulares, como a massa de po, que necessitam do auxlio de um
picnmetro para determinao do volume.
Outra forma de determinar a densidade pela fora do empuxo, que consiste
em medir o peso da amostra no ar e em um lquido. Os pesos das amostras so
determinados conforme a Figura 2.5 utilizando balana de prato superior ou balana
analtica. Os erros mais comuns deste mtodo so a migrao do material lquido
para o slido e vice-versa e a flotao parcial da amostra. A densidade, neste caso
aparente, pode ento ser determinada pela Equao 2.7 (RAHMAN, 1995):
GW
lquidoapp = (2.7)
Em que app a densidade aparente (kg.m-3), W o peso da amostra no ar (kg.m.s-2) e G o peso da amostra na fora de empuxo (kg.m.s-2).
Figura 2.5 A: Balana de prato superior para determinao da fora de empuxo em amostras menos densas que o lquido e B: Balana analtica para determinao da fora de empuxo de amostras mais densas que o lquido (RAHMAN, 1995).
Este mtodo no adequado para determinar a densidade aparente da
massa de po, pois a sua estrutura viscoelstica dificulta a fixao nos suportes para
pesagem.
-
49
O volume de slidos irregulares tambm pode ser determinado por
deslocamento de lquidos ou de slidos. O volume do material a diferena entre o
volume inicial do lquido ou slido num cilindro graduado e o volume final com o
material imerso (BOUKOUVALAS et al., 2006). O volume de pes geralmente
determinado pelo deslocamento de sementes de paino e o da massa de po pode
ser determinado pelo deslocamento de um lquido.
Boukouvalas et al. (2006) apresentam uma reviso sobre estudos de
determinao de densidade e porosidade de alimentos, porm como cita Rahman
(1995) existem poucos dados na literatura sobre densidade de alimentos
congelados.
2.3.2.2 Modelo preditivo para densidade de alimentos
Para predizer modelos tericos de densidade, os alimentos so considerados
sistemas multifsicos, no qual h conservao de massa e volume. Alm disso, a
sua densidade depende da composio e temperatura. Choi e Okos (1986)
apresentaram correlaes empricas para densidade dos principais componentes
dos alimentos entre 40 e 150 C, conforme Equao 2.8.
componente i ,/x
1ii
= = (2.8)
Onde:
]m [kg. T101,3071 - 109,1689 =
]m [kg. T103,7574 - T 103,1439 + 109,9718 =
]m [kg. T105,1840 - 101,3299 =
]m [kg. T103,1046 - 101,5991 =
]m [kg. T104,1757 - 109,2559 =
3-1-2 gelo
3-23-3-2 gua
3-1-3protena
3-1-3ocarboidrat
3-1-2gordura
Succar (1985) reportou o comportamento da densidade de alimentos
congelados e observou que houve um decrscimo significativo no seu valor
imediatamente abaixo da temperatura de congelamento, regio que a dependncia
da temperatura matematicamente similar a da condutividade trmica.
-
50
Como a densidade da gua (998,2 kg.m-3 a 20 C) maior que a densidade do gelo (993,5 kg.m-3 a 20 C), durante o congelamento a densidade do produto diminui devido formao de gelo (RAHMAN, 1995).
2.3.3 Condutividade trmica aparente
A condutividade trmica (k) uma propriedade do material que descreve a
habilidade do mesmo de conduzir calor. Equivale a quantidade de calor transmitida
atravs de uma dada espessura, na direo normal superfcie, devido a um
gradiente de temperatura
xT , conforme a Equao 2.9 (RAHMAN, 1995).
xTAkq = (2.9)
Em que q a taxa de calor (W), k a condutividade trmica (W.m-1.K-1), A a
rea transversal ao fluxo (m2) e
xT o gradiente de temperatura por unidade de
espessura (K.m-1).
2.3.3.1 Mtodos para determinao da condutividade trmica
As numerosas tcnicas para determinar a condutividade trmica de um
material so divididas em trs grupos: estado estacionrio, semi-estacionrio e
transiente.
O mtodo em estado estacionrio tem como principal vantagem o uso de
expresso matemtica muito simples, a primeira lei de Fourier, porm este mtodo
requer longo tempo de equilbrio para a taxa de calor constante desejada e sua
aplicao complicada para algumas geometrias, particularmente para cilindros
concntricos ou esferas concntricas. A eliminao de alguns efeitos como
vaporizao ou o controle das condies de contorno bastante difcil. Este mtodo
no indicado para alimentos com alto teor de gua principalmente em
temperaturas acima da inicial de congelamento. O mtodo padro utilizado para
muitos alimentos no congelados o guarded hot-plate (COGN et al., 2003;
OHLSSON, 1983).
-
51
As tcnicas de medio de condutividade trmica de Fitch3 em estado semi-
estacionrio so baseadas na Equao 2.10. um dos mtodos mais comuns para
medio de condutores pobres e consiste numa fonte de calor na forma de um vaso
com lquido temperatura constante e outro recipiente na forma de conector de
cobre isolado por todos os lados com exceo de um. A amostra fica disposta como
um sanduche entre as duas partes como mostra a Figura 2.6 (RAHMAN, 1995).
Figura 2.6 Equipamento do mtodo de Fitch para medio da condutividade trmica (i-isolante, s-amostra, l-lquido,c-cobre) (Rahman, 1995).
tTcpm
e)TT(kA
cobrecobreFonte
= (2.10)
Em que e a espessura da amostra (m), cp o calor especfico (kJ.kg-1.K-1) e t
o tempo (s).
Que com a condio de contorno inicial: t = 0 e T = T0:
cobrecobreFonte
Fonte0
cpmetkA
TTTTln
=
(2.11)
E a condutividade trmica pode ser ento calculada pela inclinao da curva
Fonte
Fonte0
TTTT
ln em funo do tempo.
A literatura descreve vrios mtodos em estado transiente para a
determinao da condutividade trmica, como o mtodo da sonda de aquecimento 3 FITCH, A.L. A new thermal conductivity apparatus, Am. Phys. Teacher, v.3, p.135, 1935.
i i
ic
cs
li i
ic
cs
l
-
52
linear, que possibilita rpidas determinaes e, por isso, um importante mtodo
para aplicao em alimentos com alto teor de gua (OHLSSON, 1983).
No mtodo da sonda de aquecimento linear, a energia eltrica fornecida a
uma fonte de calor inserida na amostra. A propriedade trmica do material
determinada pela mudana de temperatura ao longo do tempo. O mtodo possui a
vantagem de ser relativamente independente da geometria e o tempo da medida ser
curto, porm a localizao da sonda deve ser criteriosa. O mtodo baseado na
conduo de calor em estado transiente num meio infinito e expressa pela
Equao 2.12, equao de Fourier em coordenadas cilndricas, com fluxo de calor
unidimensional e propriedades constantes (SWEAT; HAUGH, 1974; OHLSSON,
1983; PARK; MURR; SALVADEGO, 1997). O equacionamento descrito por Hooper
e Lepper (1950):
=
rTr
rr1
tT
(2.12)
Em que r a dimenso caracterstica (m) e a difusividade trmica do material (m2.s-1).
Sujeita a seguinte condio inicial: em t = 0, T = T0 (2.12a)
E as seguintes condies de contorno: em r = 0, k2
QrTr
0r =
=
(2.12b)
em r = r, 0rTrk
Rr
=
= (2.12c)
A Equao 2.12a a condio inicial temporal de temperatura (K) uniforme. A
Equao 2.12b a condio de contorno que representa o calor constante fornecido
pela fonte (Q em W.m-1), cujo fio aquecedor considerado desprezvel, e a
Equao 2.12c representa a ausncia de troca de calor com o ambiente.
A soluo para a Equao 2.12 foi dada por Carslaw e Jaeger (1959):
-
53
=
2du
ue
k4QT
u
(2.13)
Onde:
)tt(4du
0
2
= (2.14)
O parmetro matematicamente relacion