Transcript
CONSERVAÇÃO
DE
ALIMENTOS
PELO
CALOR
1- Considerações Gerais A conservação de alimentos pelo calor é, talvez, a mais difundida na indústria isso, pelo seu desempenho : Eficaz
- produz o efeito desejado com qualidade satisfatória;
Eficiente
- produz o efeito desejado com rendimento satisfatório;
Efetivo
- produz o efeito desejado sempre que se repete a operação.
O uso adequado de calor na indústria alimentícia não deixa resíduo poluente após o uso. As fontes de calor geralmente empregadas nos processos de fabricação são : Convencional - quando imprime no material em aquecimento propagação do calor por convecção e/ou condução, tendo-se como exemplo o fogo direto, água quente, vapor d’água, entre outras; Não-convencional – quando imprime no material em aquecimento a propagação de calor por radiação, sendo um exemplo típico dessas fontes, a microondas.
Os métodos de conservação de alimentos, pelo calor são : Branqueamento – que objetiva a desnaturação de enzimas ; Pasteurização Esterilização Cozimento
- que objetiva inviabilizar a atividade microbiana de formas vegetativas ( pH 4,5 ) ; - que objetiva inviabilizar formas microbianas esporuladas ( pH 4,5 ); - que objetiva estabilizar o alimento por transforma ções químicas, com inativação das enzimas e da microbiota presentes.
Os métodos de conservação de alimentos, pelo calor, anteriormente mostrados são controlados através dos parâmetros : temperatura do tratamento versus tempo de retardamento ou, tempo de permanência do alimento na temperatura do tratamento, parâmetros estes aquí simbolizados pelas letras “ T ”e “ “, respectivamente. Durante o tratamento pelo calor, todas as partículas do alimento apresentam o comportamento térmico grafado à seguir.
T
Tg
Tf TO
O
1
2
3
Onde, To = temperatura inicial do alimento a ser tratado Tg = temperatura programada para o retardamento do tratamento Tf = temperatura final do alimento, após o resfriamento 1 = tempo gasto no tratamento para se alcançar a “Tg” 2 - 1 = tempo de retardamento do alimento na “Ti” 3 - 2 = tempo gasto no tratamento para resfriar o alimento até “Tf"
A lei de variação do tempo de retardamento ( ) com a temperatura ( T ) é dada pela expressão : Tx = T 10( T – Tx )/ z onde as ordens de grandeza do valor “z” para os diferentes tratamentos são : Branqueamento Pasteurização Esterilização Cozimento
z 16,0oC z 11,5oC z 9,0oC z 29,0 oC
2- Sistemas de Tratamento pelo Calor Assético Convencional 2.1- Sistema Assético O sistema assético de tratamento térmico se caracteriza pela aplicação de calor ao alimento antes de ser embalado. Com esse procedimento consegue-se impor agitação ao alimento e assim, acelerar a transferência de calor em toda a sua massa. Com isso, minimiza-se as diferenças de temperaturas entre os diversos pontos do alimento. Assim, reduz-se os chamados tempos subjetivos do tratamento ( aquecimento / resfriamento ), objetivando-o ao máximo. Em consequência, efeitos indesejáveis do calor sobre o alimento como modificações de cor, sabor e textura,entre outros, são minimizados. O comportamento térmico do alimento em tratamento, segue o modêlo já grafado anteriormente. São exemplos típicos desse sistema os trocadores de calor à placas ou tubulares de tres seções ( aquecimento-retardamento-resfriamento ), muito empregados em pasteurizações de leite, bebidas lácteas, sucos e polpas de frutas e hortaliças. Face à elevada produtividade e elevado custo de investimento, recomenda-se apenas para a média e grande escalas de produção, salvo excessões.
2.2- Sistema Convencional Ao contrário do anterior, o sistema convencional de tratamento térmico, se caracteriza pela aplicação do calor no alimento já embalado. Trata-se de um procedimento que expõe o alimento a um excesso de calor resultando disso uma qualidade inferior à dos alimentos tratados em sistema assético. A sua única vantagem sobre o assético é do ponto de vista econômico já que o investimento em equipamento é da ordem de 6 a 10 vezes menor. Do ponto de vista de produtividade é também inferior ao assético, permitindo recomendarse apenas para a micro e pequenas escalas de produção. O comportamento térmico de cada ponto do alimento, neste caso, segue o gráfico mostrado à seguir.
T
O
Como esse sistema convencional de conservação expõe excessivamente o alimento ao calor, existem alguns procedimentos operacionais que visam minimizá-lo. “Hot-Pack” : este procedimento tem por objetivo a redução do tempo de aquecimento, elevando a temperatura do alimento ao máximo possível, através da aplicação do calor antes dele ser embalado com isso, além da redução do tempo de exposição do alimento ao calor, preenchendo-se o mesmo a temperaturas da ordem de 65 oC acima, evita-se a sua recontaminação pelo ambiente.Isso, devido ao fluxo térmico estabelecido do alimento para o meio. Na verdade, o “Hot-Pack” pode ser considerado um sistema mixto de tratamento pelo calor visto que, aplica calor no alimento antes do mesmo ser embalado. Pode-se representar o comportamento térmico do alimento no procedimento “Hot-Pack”, pelo gráfico abaixo.
T Ti
TO
Tf
O
1
2
1 = tempo gasto para aquecer o alimento até “Ti” 2 - 1 = tempo de resfriamento
“Spin-Cooker-Cooler” : sistema que imprime movimento ao alimento embalado, quente, buscando acelerar a velocidade de resfriamento. Trata-se de um sistema concebido para o resfriamento de alimentos acondicionados em latas cilíndricas contudo, existem sistemas de túneis que através de ressaltos promovem agitação em alimentos fluidos acondicionados em garrafas. Durante a agitação o alimento embalado é submetido a um esguincho d’água cuja temperatura depende do dimensionamento do equipamento, e das condições térmicas do fluxo de processamento. O comportamento térmico do alimento, por sua vez, é semelhante ao mostrado para o sistema “Hot-Pack”, com a redução do tempo de resfriamento e não do aquecimento, quando não houver associação deste com aquele.
T E R M O B A C T E R I O L O G I A
O branqueamento, a pasteurização, a esterilização e o cozimento seguem um mesmo modelo matemático de dimensionamento dos parâmetros de controle, tempo ( ) temperatura ( T ), cuja fundamentação encontra-se na termobacteriologia. Por essa razão a abordagem à seguir discorrerá sobre esse assunto, com profundidade suficiente para o bom entedimento do referido modêlo matemático.
Termobacteriologia – pode ser conceituada como o estudo da resistência térmica dos microrganismos estes, caracterizados (termobacteriologicamente) pelos parâmetros “D” , “z” , e “F” conceituados abaixo, D = tempo de redução decimal ( min. ou seg.) z = gradiente de temperatura que reduz o valor de “D” de 90% do seu valor original ( OC ) F = tempo de retardamento do microrganismo representativo numa temperatura de referência ( 121,1oC ; 100oC ; 68,9oC ), suficiente para inativar a atividade microbiana ( min. ou seg. )
O modêlo matemático da termobacteriologia se volta para definir e interrelacionar os parâmetros “D”, “z” e “F”, o que é feito através de três curvas, a saber : Curva de Sobrevivência, Curva de Resistência e Curva de Destruição de microrganismos.
1- Curva de Sobrevivência de Microrganismos Submetendo-se um alimento com uma população microbiana inicial ( Ni ), a um aquecimento a uma temperatura ( Ti ) constante e letal à microbiota presente, por um tempo ( ), obtem-se uma população final ( Nf ). Com base em populações intermediárias e respectivos retadamentos, plotando-se os valores em um gráfico monolog., constrói-se uma figura como a abaixo mostrada. log N log Ni I 1 n+1
log10
log 10
2
3 D
log Nf
II
O
III
1
D
2
Na figura acima, comparando-se os triângulos semelhantes 1;2;3 e I;II;III pode-se estabelecer a seguinte comparação, D / ( log 10n+1 – log 10n ) = / ( log Ni – log Nf )
D = / ( log Ni – log Nf )
( I ) , definindo-se aqui o valor “D”
Da equação I se pode obter a expressão que define o tempo de retardamento ()que promove uma redução na população microbiana de Ni para Nf, submetida a uma temperatura ( T ) constante e letal à microbiota presente, T = DT log ( Ni / Nf )
( II )
Na equação II se pode fazer as seguintes observações ; Ni – população microbiana inicial do alimento cujo valor máximo aceito é de 108 isso, em razão da produção significativa de toxinas, algumas delas muito termo-resistentes, maléficas para o consumidor; em caso de alimentos a serem conservados pelo calor, com Ni igual ou ligeiramente acima de 108, apresentando boas características sensoriais, recomenda-se misturá-lo com outro congênere de mais baixa contagem inicial de modo a resultar a mistura com níveis aceitáveis de contaminação. Nf – população microbiana final do alimento conservado, cujo valor deve ser diferente de “zero”, para não inviabilizar o uso da Equação II que, no caso resultaria = , o que não é verdade na prática, pois se sabe que a tempos finitos se consegue inviabilizar a população microbiana de um alimento; assim, ensaios de aplicação da Equação II evidenciaram que se consegue esterilizar o alimento sempre que se iguala o Nf a 1; portanto, é comum igualar-se Nf a 1 quando se desconhece a população microbiana final de um alimento, inócua ao mesmo e ao consumidor; a título de exemplo, a legislação brasileira admite para sucos de frutas populações finais de 103 para bolores/leveduras, e 102 para contagem total de bactérias. = tempo durante o qual se expõe o alimento ao calor, também chamado tempo de retardamento, retenção ou residência; quando suficiente para conservar o alimento, numa temperatura qualquer é representado (TDT)T; se a temperatura adotada para o tratamento for uma temperatura de referência ( 68,9oC; 100oC ou 121,1oC ), o (TDT)T passa a ser chamado “valor F”, e se em particular a temperatura de referência for 121,1 oC o (TDT)T é representado por Fo , permitindo escrever que : todo (TDT)T é um e todo F é um (TDT)Tr mas, nem todo F é um (TDT)T e nem todo (TDT)T é um T .
Ainda na curva de sobrevivência se pode observar no eixo das abcissas da figura que, T n DT (III) onde n é um fator designado ordem de destruição do tratamento térmico. Comparando-se as equações II e III vem, nDT = DT log (Ni/Nf)
n = log (Ni/Nf)
ou Ni/Nf = 10n
( IV )
Quanto maior for o valor de “n”, mais rigoroso será o tratamento.
2- Curva de Resistência de Microrganismo Como foi visto na curva de sobrevivência, o valor de “D” para um mesmo alimento, varia com a temperatura do tratamento pelo calor. Assim, plotandose esses valores contra as respectivas temperaturas obtém-se o gráfico abaixo, log D DT
II
1
10n+1
2
10n
1
DT 2
z
I
O
3 III
T1
z
T2
T
Na figura acima, da semelhança dos triângulos 1;2;3 e I;II;III pode-se tirar as seguintes relações : z / (log DT 1 – log DT 2 ) = (T1 – T2) / log 10n+1 – log 10n
z = T1 – T2 / log ( DT 1 DT 2 )
(V)
Na equação V se define o valor de “z” que pode ser conceituado como o gradiente de temperatura que acrescido à temperatura de um tratamento, reduz o valor de “D” de 90% em relação ao seu valor anterior. Também se pode obter a lei de variação do valor de “D” à partir da equação V, à saber, DTx = DT 10( T – Tx) / z
( VI )
A equação VI permite a determinação do valor “DTx” numa temperatura dentro de um intervalo ensaiado laboratorialmente, à partir de um valor “DT” conhecido do mesmo intervalo de temperatura.
3- Curva de Destruição de Microrganismos Essa curva relaciona (TDT)T T e se trata de uma paralela à curva de resistência térmica de microrganismos já que : (TDT) = n D onde “n”é uma constante que indica a ordem de destruição do tratamento, exigida para a conservação de um determinado alimento. Assim, tira-se dela as seguintes relações : z = T1 – T2 / log [(TDT)T 1 (TDT)T 2 ]
(VII)
e (TDT)Tx = (TDT)T 10T-Tx/z
(VIII)
anàlogamente ao que foi feito na curva de resistência de microrganismos.
EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO
1- Uma suspensão de esporos foi analisada após 10 minutos de exposição a 230oF, encontrando-se 4,9 104 sobreviventes. Se o valor “D” para esse tratamento for de 7,5 minutos, qual será a concentração inicial de esporos ? Dados : T = 230oF ; = 10 min. ; Nf = 4,9 104 ; D = 7,5 min. ; Ni = ? De n = log (Ni/Nf ) Onde De
vem,
Ni / Nf = 10 n
Nf é dado, sendo necessária a determinação do valor de “n” = nD
vem,
Ni = 104,7 104 =
n = / D = 10 / 7,5 = 1,33
1,05 10 6
Curva de Sobrevivência representativa do problema, logN 1,05 106 10n+1
10n D = 7,5 min 4,9104
0
= 10 min
2- Um alimento com uma Ni = 2 106 col./ml é submetido a uma temperatura de 95oC por 3 minutos, chegando a uma população final de 6102 col./ml. Com base nesses dados determinar : a) o valor D95 ; b) a ordem de destruição do tratamento. a) De = D . log (Ni / Nf) D = / log(Ni/Nf) onde, - = 3 minutos - log (Ni/Nf) = log (2106/2102) = - 0,478 + 4 = 3,522 D = 3 / 3,522 = 0,85 minutos.
b) De
= n.D
n=/D n = 3 / 0,85 = 3,5 ciclos ou reduções decimais
Gráfico do exercício
log N Ni 10 n+1 10n
D
Nf 0
3- Ensaios termobacteriológicos com um alimento revelaram D95 = 1,7 min ; D90 = 3,4 min. ; e D85 = 6,8 min. ; - considerando a ordem de destruição dos tratamentos (n) igual a 4,2 reduções decimais, determinar : a) a CRM da microbiota presente, sua lei de variação e valor “z”; b) a CDM e sua lei de variação no intervalo de temperatura estudado. a) 1
log D
0,8 0,6 0,4
y = -0,06x + 5,93 R2 = 1
0,2 0 80
85
90
95
100
Temperatura - grau centigrado
z = 1 / tg = 1 / -0,06 = 16,6 oC Lei de variação : DTx = DT . 10T-Tx/ z = DT . 10T-Tx/ 16,6 b) (TDT)Tx = (TDT)T . 10T-Tx/ 16,6 mas (TDT)T = n . DT logo, (TDT)85 = 4,2 6,8 = 28,56 28,6 minutos (TDT)90 = 4,2 3,4 = 14,28 14,3 “ (TDT)95 = 4,2 1,7 = 7,15 7,2 “ ficando o gráfico abaixo :
log (TDT)
2 1,5 1 y = -0,0602x + 6,573 R2 = 1
0,5 0 84
86
88
90
92
94
Temperatura - grau centígrado
Lei de Variação : (TDT)Tx = (TDT)T . 10T-Tx / 16,6
96
4- Se os tempos letais de processamento térmico de um alimento a 190 – 200 – 210oF são 165 – 85 – 40 minutos, respectivamente, determinar o valor de “z” para a microbiota em questão.
Dados : (TDT)190 = 165 min.; (TDT)200 = 85 min.; (TDT)210 = 40 min. z=? Gráfico representativo : curva de destruição de microrganismos log(TDT) log 165 log10n+1 log 85 log10n log 40
O 190
200
210
o
F
z = -16,5oF Sabe-se da figura que,
Finalmente,
z = T1 – T2 / log [(TDT)T 1 (TDT)T 2)]
z = (190 – 200) / log (165 40) = -10 / log 4,125
z = -16,2oF
5- Um alimento é submetido aos tratamentos (TDT)80 = 4 D80 ; e (TDT)78 = = 5 D78 . Sabendo-se que (TDT)80 = 3 minutos e o valor “z” = 9oC, evidenciar o tratamento mais rigoroso.
Dados : (TDT)80 = 4 D80 ; (TDT)78 = 5 D78 ; (TDT)80 = 3 min. ; z = 9oC.
Esquema :
(TDT)78 (TDT)’80 ; (TDT)’80 (TDT)80 (TDT)’80 = (TDT)80 (TDT)’80 (TDT)80
tratamento menos rigoroso tratamento com mesmo rigor tratamento mais rigoroso
Assim, (TDT)’80 = (TDT)78 1078-80 / 9 = (TDT)78 . 0,5994 mas (TDT)78 = n D78 = 5 D78 onde D78 = D80 1080 – 78 / 9 = D80 . 1,668 (TDT)80 = 3 = n D80 = 4 D80 vem, D80 = 3 /4 = 0,75 min. D78 = 1,668 0,75 = 1,25 min. (TDT)78 = 5 1,25 = 6,25 min. Finalmente, (TDT)’80 = 6,25 1078 – 80 / 9 = 3,7 min. Logo, (TDT)’80 = 3,7 min. (TDT)80 = 3 min. tratamento a 78oC mais rigoroso que o realizado a 80oC.
6- Um alimento submetido a uma pasteurização apresenta as seguintes características : Ni = 2 106 ; D90 = 2 min.. Sabendo-se que ele se conserva com uma Nf = 102, determinar : a) (TDT)90 ; b) a ordem de destruição térmica do tratamento; c) o (TDT)90 se for desconhecido o Nf para o produto.
a)
(TDT)90 = D90 log (Ni/Nf ) (TDT)90 = 2 log (2 106/102) = 2 log (2 104) (TDT)90 = 2 (log 2 + 4 log 10 ) = 2 (0,3 + 4) = 8,6 minutos
b) n = log (Ni/Nf) = log (2 106/102) = log (2 104) = 4,3 reduções ou seja, o tratamento impõe 4,3 reduções decimais à população microbiana inicial do alimento.
c) (TDT)90 = 2 log (2 106/100) = 2 (log 2 + 6 log 10) (TDT)90 = 2 (0,3 + 6) =
12,6 minutos
Obs.- a) é oportuno observar como há aumento da exposição do alimento ao calor, neste caso, quando comparado com o primeiro tratamento, daí a necessidade de se conhecer a população microbiana final, inócua, de um alimento conservado, para minimizar o rigor do tratamento térmico e conseguir melhor qualidade no produto; d) com o aumento no rigor do tratamento há aumento na sua ordem de destruição, n = log (2 106/100) = 6,3 reduções decimais.
7-O valor “z” de um tratamento é 10oC . Sabendo-se que o seu (TDT)90 = 2 minutos, determinar o retardamento a 85oC com a mesma ordem de destruição. (TDT)85 = (TDT)90 1090-85/z = 2 105/10 = 6,3 minutos
Curva de destruição representativa da questão acima, log(TDT) log 10n+1 log 6,3 log 2 log 10n
O
82,5
85
90 10oC
92,5
ToC
CÁLCULO DE ESTERILIZAÇÃO
O cálculo de esterilização pelo calor, consiste na determinação dos parâmetros : temperatura e tempo de retardamento do tratamento, para conservar o alimento. Para tanto, recorre-se aos estudos termobacteriológicos e de transferência de calor no alimento, de modo a resultar valores dos referidos parâmetros que minimizem os estragos provocados pelo excesso de calor aplicado ao alimento.
1- Sistema Assético Como já visto anteriormente, o sistema assético é aquele que aplica calor ao alimento antes de ser embalado isso, buscando acelerar e uniformizar a penetração de calor em todos os seus pontos. Com o aquecimento uniforme, todos os pontos do alimento seguem o modelo de comportamento térmico já apresentado, onde figuram as etapas subjetivas(aquecimento e resfriamento) e objetiva(retardamento) do tratamento. A grande vantagem do sistema assético em relação ao convencional é possibilitar a minimização dos tempos subjetivos do tratamento, decorrendo disso uma redução da exposição do alimento ao calor, o que é benéfico para as características físicas(organoléticas), químicas(constituintes nutricionais) sem prejuízo da higiene do produto final, além de reduzir custos com exageiros operacionais.
1.1-
Temperatura do Tratamento
Na verdade serão apresentados aqui, critérios para se estabelecer uma temperatura adequada para o tratamento de um alimento pelo calor. Assim, devido à termo-sensibilidade específica de cada alimento, a escolha da temperatura exige um estudo empírico para cada conserva, onde se adota a maior temperatura possível, inócua ao alimento a processar. Buscando melhor visualizar o que foi dito, apresenta-se à seguir um gráfico genérico que auxilia a estabelecer critérios.
log v
destruição microbiana v4 destruição de vit. C v3 v2
v1
O
T1
Tc
T2
T
No gráfico acima pode-se observar a existência de uma temperatura crítica(Tc), abaixo da qual as velocidades de destruição de vit. C são maiores do que as velocidades de extinção microbiana, e vice-versa. No caso de pasteurização ou esterilização deve-se adotar temperaturas as mais acima possíveis de “Tc”. Para cozimentos, contudo, se deve adotar temperaturas inferiores a “Tc”, por razões obvias, já que se busca transformações químicas.
O problema à seguir mostrado, detalha melhor esse assunto, permitindo compreendê-lo melhor. Um alimento tratado termicamente a 112oC (Tg), apresenta um (TDT)112 = 4 minutos, satisfatório para a sua conservação. Sabendo-se que os valores : z = 10oC para a sua esterilização; z = 16,6oC para escurecimento não enzimático ; e z = 33,2oC para cozimento, analisar os tratamentos a 107 e 117oC em relação aos três processos.
log(TDT)
log 12,6 log 8,0 log 5,7 log 4,0 log 2,83 log 2,00 log 1,26
O
Sabe-se que
107
112
117
(TDT)112 = 4 minutos satisfatório
a) para Tg = 107 oC vem , esterilização
: (TDT)107 = 4 10112-107/10 = 12,6 minutos
escurecimento : (TDT)107 = 4 10112-107/16,6 = 8,0 minutos cozimento
: (TDT)107 = 4 10112-107/33,2 = 5,7 minutos
T(oC)
Efeitos alcançados a 107oC ; Para que o alimento alcance a condição de conservação, deve ser submetido a 107oC por um retardamento de 12,6 minutos, o que permite observar os seguintes efeitos : cozimento : consegue-se a mesma intensidade que a 112oC, com o retardamento de apenas 5,7 minutos. escurecimento : o produto apresentará cozimento superior ao apresentado a 112oC, sendo a sua intensidade da ordem de ( 8 5,7) 100 = 157,5 % . esterilização : o produto só estará esterilizado após 12,6 minutos a 107oC, o que acarretará super-cozimento da ordem de (12,6 5,7) 100 = 221,1 %. b) para Tg = 117 oC esterilização
: (TDT)117 = 4 10112-117/ 10 = 1,26 minutos
escurecimento
: (TDT)117 = 4 10112-117/16,6 = 2,00
“
cozimento
: (TDT)117 = 4 10112-117/33,2 = 2,83
“
Neste caso, consegue-se conservar o alimento com apenas 1,26 minutos de retardamento, imprimindo menos escurecimento : (1,26 2)100 = 63% do referência ; e ainda menos cozimento : (1,262,83)100 = 44,52% do referência a 4 minutos.
Conclusão : quando se eleva a temperatura (Tg) do tratamento pelo calor, maximiza-se o efeito esterilizante e reduz-se os efeitos de escurecimentos não-enzimáticos e de cozimentos, e vice-versa. Assim , respeitando-se a sensibilidade térmica do alimento, para a esterilização deve-se adotar temperaturas as mais elevadas possíveis.
1.2-Retardamento do Tratamento Aqui é importante não apenas determinar o (TDT)Tg como também, a sua lei de variação num intervalo de temperatura viável para o processamento em estudo. Tal estudo compreende a determinação do intervalo de temperatura que não traga variação de qualidade, sensorialmente perceptível, ao produto, com retardamentos sem impactos relevantes para a produtividade do tratamento. Em seguida, realiza a caracterização termobacteriológica do alimento a processar, através da determinação da sua curva de destruição de microrganismos, com o procedimento adiante apresentado : .1- define-se o intervalo de tempertura viável, associando-se degustações e aspectos do produto a produções horárias em função dos retardamentos extremos; .2- no intervalo de temperatura definido, determina-se empiricamente três tempos de extinção microbiana, sendo dois nas temperaturas extrema e um numa temperatura intermediária : (TDT)T1 ; (TDT)T2 ; (TDT)T3 ; .3- num gráfico de T (TDT)T , plota-se os tres pares de valores, obtém-se a equação da reta : y = ax + b ; .4- calcula-se o valor “z” pela expressão : tg = 1 / a Figura Representativa log(TDT)T 1 log 10n+1 log(TDT)T 2 log 10n log(TDT)T 3
O
T1
T2
T3
z
1.2-
ESTERILIDADE ( E )
E = Indice de avaliação da intensidade de um tratamento térmico numa mesma Tg, num mesmo alimento.
Sabe-se da termobacteriologia que : (TDT)Tg = n.DTg para a esterilização de um determinado alimento.
-exigido
Num tratamento térmico industrial, no mesmo alimento adota-se : (TDT)Tg= n1.DTg A avaliação da adequação ou não do tratamento industrial, à exigência do alimento pode ser feita como à seguir, E = (TDT)Tg (TDT)Tg = (n1n) Finalmente, E1
sub-tratamento
E=1
tratamento
E1
super-tratamento
1.4- DIMENSIONAMENTO DE TUBO RETARDADOR, CONHECIDOS :
G = 2.000 Litros/hora (TDT)Tg = 2 minutos Diâmetro do Tubo retardador = 3 polegadas = 0,075 m
Cálculo da capacidade volumétrica do tubo retardador para satisfazer à permanência do produto durante 2 minutos na Tg : 60 minutos 2 “
2.000 litros X “ X = 66,7 litros ou X = 0,0667 m3
O interior do tubo retardador tem forma cilídrica, sendo a sua capacidade volumétrica da pela expressão : Cv = .R2.L = .(D2/4).L L = 4.Cv/.D2 L = (40,0667)(3,14160,0752) = 0,2668/0,0176 = 15,16 m Sendo o comprimento do tubo inox de 3 pol. = 5 m, deve-se empregar no retardador, 3 tubos.
2- Sistema Convencional Conforme já abordado, o sistema convencional de tratamento térmico é aquele onde a aplicação do calor é feita no alimento já embalado. Trata-se de um procedimento estacionário, onde o alimento já na embalagem é submetido ao calor num “banho-maria”, numa autoclave estacionária com injeção direta de vapor saturado, ou outro meio qualquer. Diante disso observa-se que ao atravessar a parêde da embalagem, o calor vai penetrando por convecção e/ou condução, dependendo do maior ou menor conteúdo de umidade do alimento, até o seu ponto mais inacessível, designado ponto frio, na realidade microregião fria. Face a essa realidade, o dimensionamento dos parâmetros de controle : Temperatura do meio de aquecimento (Ti) e Tempo de Operação ou retardamento da operação na temperatura (Ti) é feito em relação ao ponto frio, buscando assegurar que todos os pontos do alimento recebam color suficiente para a sua conservação. Com isso, observa-se que todos os pontos exceto o ponto frio, são super-esterilizados ou, recebem tratamento excessivo, notadamente os mais próximos à superfície interna da parêde da embalagem. Esse é, talvez, o grande incoveniente do sistema convencional, cujas modificações sensoriais e nutricionais são bem mais acentuadas que no sistema assétic Pelo exposto deduz-se que o primeiro passo para dimensionar os parâmetros de controle do tratamento (Ti e ), é o conhecimento da curva de destruição térmica do alimento em estudo, para o conhecimento da lei de variação T (TDT)T , num intervalo de temperatura viável para o alimento e para a infraestrutura fabril disponível. Em seguida determina-se o ponto frio na embalagem a ser adotada. Conhecida a localização do ponto frio, estuda-se o seu comportamento térmico submetido a uma “Ti“conhecida, na busca de relacionar o tempo de operação com a temperatura alcançada pelo ponto frio. Os passos seguintes, serão abordados em detalhe na sequência da exposição. À seguir será feita uma abordagem sôbre o comportamento térmico do alimento submetido a tratamento em sistema convencional, para melhor visualização do que acontece durante a realização do processamento, bem como melhor entendimento do conceito de letalidade.
2.1- Comportamento Térmico do Alimento Nos tratamentos dos alimentos, pelo calor, em sistema convencional, todos os pontos do alimento se aquecem mais rapidamente no início, reduzindo gradativamente a velocidade de aquecimento até alcançar a temperatura “Tg” programada para o tratamento. Pode-se representar graficamente esse comportamento pela figura abaixo apresentada.
T
Tg
To Tf
O
a
1
Onde, To = temperatura inicial do alimento a ser tratado; Tg = temperatura máxima atingida pelo ponto frio no final da fase de Aquecimento; Tf = temperatura final do alimento, após o resfriamento; a = tempo de aquecimento 1 - a = tempo de resfriamento
2.2- Determinação do Ponto Frio Nos alimentos sólidos onde há o predomínio de transferência de calor pelo mecanismo de condução, o ponto frio se localiza no centro geométrico da embalagem. Nos alimentos líquidos onde o calor se propaga predominantemente por convecção, independente da forma da embalagem, o ponto frio se situa no seu eixo vertical, tanto mais próximo da base quanto mais fluido for o alimento, devido à forma alongada assumida pelas correntes de convecção. Neste caso, recorre-se a um ensaio empírico que imerge em água a 40oC, o alimento embalado, instrumentado com termopar em quatro pontos distintos do eixo vertical, e se mede as temperaturas após uma imersão de 30 segundos, tempo este em que as correntes de convecção ainda se acham organizadas(no caso de embalagens pequenas – cerca de 200 ml de capacidade). Os pares de valores distância à base teperatura são plotados em um gráfico cujo resultado é uma parábola. O ponto mínimo da parábola é o ponto frio procurado, cujas coordenadas são : distância do ponto frio à base da embalagem temperatura alcançada pelo ponto frio no ensaio. O seu cálculo é feito igualando-se a derivada primeira (da equação original) a zero e determinando-se o valor de “x”. Apresenta-se à seguie um gráfico de um ensaio realizado com água em garrafa de vidro de 200 ml. T(ºC) 27,5 25,3 26,2 28,0 P O N T O F R I O E M Á G U A A C O N D IC I O N A D A EM G A R R A F A D E V ID R O P A D R Ã O D E 2 0 0 m l 2 8 ,5 y = 4 x 2 - 9 ,5 2 x + 3 1 ,1 5 R 2 = 0 ,9 4 6 6
2 8 ,0 2 7 ,5 T (ºC)
D (cm) 0,5 1,0 1,5 2,0
2 7 ,0 2 6 ,5 2 6 ,0 2 5 ,5 2 5 ,0 0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
D is t â n c ia à b a s e d a g a r r a f a ( c m )
2 ,5
A determinação da distância do ponto frio à base da garrafa será feita como segue, de
y = 4x2 – 9,52x + 31,15
y’ = 8x – 9,52
igualando-se a zero a derivada primeira vem, 8x = 9,52
x = 1,19 1,2 cm
A temperatura alcançada pelo ponto frio, no ensaio pode ser determinada como segue, y = 4 (1,2)2 – 9,52 (1,2) + 31,15 = 25,5 oC
2.3- Letalidade ( Fp)
Pode-se conceituar “Letalidade” como o retardamento em sistema assético ideal, correspondente a um tratamento em sistema convencional com o mesmo poder de esterilização.
A letalidade é , em geral, representada pelo símbolo “Fp” quando a “Tg “ for uma temperatura de referência, quando não, pode ser representada pelo símbolo “ (TDT)P” .
O gráfico mostrado à seguir, facilita o melhor entendimento do conceito dado.
Ti Tg
TL
T0
O
L (TDT)P
h
L-1
T
Na figura acima as coordenadas são referidas ao ponto frio. Ti é a temperatura do meio de aquecimento, Tg é a temperatura máxima alcançada pelo ponto frio’ TL temperatura mínima letal à microbiota presente e To a temperatura inicial e final do alimento tratado. (TDT)P é o retardamento em sistema assético ideal, equivalente ao tratamento convencional realizado.
O cálculo de esterilização pelo método de BALL avalia o tratamento convencional pela sua esterilidade, comparando : FP / F ( da termobacteriologia) = 1
ESTERILIZAÇÃO
FP / F ( da termobacteriologia) 1 SUB-ESTERILIZAÇÃO Fp / F (da termobacteriologia
1 SUPER-ESTERILIZAÇÃO
2.4- Propagação de Calor no Alimento No sistema convencional de tratamento térmico , o estudo de propagação do calor no alimento embalado é feito através das temperaturas assumidas pelo ponto frio ao longo do aquecimento e do resfriamento, relacionando-se por conseguinte, tempo de operação com temperatura no ponto frio, com o alimento submetido a uma “Ti” constante do meio de aquecimento e, “Tw” tambem constante, do meio de resfriamento.
O conhecimento das temperaturas do ponto frio durante o tratamento, permite calcular as taxas letais nas diferentes temperaturas, em relação a “Tg”. O cálculo de cada taxa letal é feito pela expressão : (TDT)T/ (TDT)Tg = 10T-Tg/z obtida da lei de variação de (TDT)T da Curva de Destruição Térmica de Microrganismos.
No estudo laboratorial supra, realiza-se o ensaio do tratamento térmico com as temperaturas de aquecimento e de resfriamento constantes. No caso de necessidade de avaliar o compotamento térmico do ponto frio em temperaturas diferentes do meio de aquecimento , recorre-se às equações empíricas de OLSON-SCHULTZ apresentadas abaixo, Aquecimento ( Ti Ti’ ) : T’ = Ti’ - [( Ti’ – To) (Ti – To)] ( Ti – T)
Resfriamento ( Tw Tw’) T’ = Tw + [(Tg’- Tw) ( Tg – Tw)] (T – Tw)
2.5- Cálculo de Esterilização :
Método de BALL
.1- FUNDAMENTO : lei de variação da CDM, referida à “Tg” alcançada pelo ponto frio, no tratamento convencional, (TDT)T = (TDT)Tg 10(T-Tg) / z
(I)
(aplicável apenas ao sistema assético)
.2- Na equação I, define-se “Taxa Letal” em relação a “Tg” como abaixo : (TDT)T / (TDT)Tg = 10(T-Tg) / z onde, (TDT)Tg = = retardamento na “Tg” (referência), permitindo escrever, (TDT)T / = 10(T-Tg) / z
.3- No sistema convencional, T do alimento varia durante todo o tratamento mas, pode ser considerado constante em intervalos de tempo muito pequenos, d, permitindo escrever : d(TDT)Tp / d = 10(T-Tg) / z ou vindo, finalmente,
d(TDT)Tp = 10(T-Tg) / z d d(TDT)Tp = 10(T-Tg) / z d (TDT)Tp = 10(T-Tg) / z d
Como o segundo membro da equação apresenta duas variáveis, “T” e “”, BALL propõe a sua resolução gráfica, cujos resultados satisfazem as aplicações práticas (gráfico da página seguinte). .4- Do gráfico obtém-se, (TDT)Tp = (SC + 0,5 Si) Su onde, SC = número de quadrados completos Si = número de quadrados incompletos Su = número de quadrados do quadrado unitário Condições :
(TDT)Tg
sub-esterilização
(TDT)Tp =
(TDT)Tg
esterilização
(TDT)Tp
(TDT)Tg
super-esterilização
(TDT)Tp
.5- Lei de variação : (TDT)Tg (TDT)Tp Essa lei de variação objetiva determinar o tempo de retardamento da operação, necessário para se alcançar a letalidade (TDT)Tg determinado termobacteriologicamente, no ponto frio do alimento em tratamento. Para tanto, procede-se como descrito à seguir. a) Determina-se em laboratório o ponto frio do alimento embalado : - no caso de alimentos sólidos o próprio centro geométrico da embalagem; - no caso de alimentos xaroposos ou líquidos, definir o ponto frio como já descrito anteriormente, definindo a lei de variação da parábola específica do material em estudo, cujo mínimo caracteriza a temperatura e a sua distância à base da embalagem, vindo y = ax2 - bx + c y’= 2ax – b = 0
x mín. = b 2a
b) Determina-se, em laboratório, o comportamento térmico do ponto frio registrando-se em tabela : Tempo de Operação (TDT)Tp Temperatura no Ponto Frio (T). c) Calcula-se as temperaturas do ponto frio na temperatura do meio de aquecimento, através das equações de OLSON-SCHULTZ já mostradas anteriormente, com as temperaturas correspondentes, ensaiadas no ítem “b”. d) Calcula-se as taxas letais referidas às tres últimas temperaturas ( Tg 1 ; Tg 2; Tg 3 ), para a costrução das tres curvas, do tipo da figura apresentada na página seguinte, cujas áreas fornecerão (TDT)Tp1 ; (TDT)Tp2 ; (TDT)Tp3 ; que permitirão a construção do gráfico que fornecerá a equação, lei de variação procurada.
e) Determina-se em laboratório o ponto frio do alimento embalado : - no caso de alimentos sólidos o próprio centro geométrico da embalagem; - no caso de alimentos xaroposos ou líquidos, definir o ponto frio como já descrito anteriormente, definindo a lei de variação da parábola específica do material em estudo, cujo mínimo caracteriza a temperatura e a sua distância à base da embalagem, vindo y = ax2 - bx + c y’= 2ax – b = 0
x mín. = b 2a
f) Determina-se, em laboratório, o comportamento térmico do ponto frio registrando-se em tabela : Tempo de Operação (TDT)Tp Temperatura no Ponto Frio (T).
g) Calcula-se as temperaturas do ponto frio na temperatura do meio de aquecimento, através das equações de OLSON-SCHULTZ já mostradas anteriormente, com as temperaturas correspondentes, ensaiadas no ítem “b”. h) Calcula-se as taxas letais referidas às tres últimas temperaturas ( Tg 1 ; Tg 2; Tg 3 ), para a costrução das tres curvas cujas áreas fornecerão (TDT)Tp1 ; (TDT)Tp2 ; (TDT)Tp3 ; que permitirão a construção do gráfico que fornecerá a equação, lei de variação procurada : (TDT)Tp y = ax + b (TDT)Tpx
ou
(TDT)Tp = (TDT)Tg x + b
0
(TDT)Tgx
(TDT)Tg
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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FELLOWS, P. Tecnología del Procesado de los Alimentos Acríbia S.A., Zaragoza, p. 197/250
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HAYES, G.D. Manual de Datos para Ingeniería de los Alimentos Editorial Acríbia S.A., Zaragoza, p. 133/171 1992
HERSOM, A.C. & HULLAND, E.D. Conservas Alimenticias Acríbia S.A., Zaragoza, p. 138/205
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POTTER, N.N. La Ciencia de los Alimentos p. 169/202
Edutex S.A., Mexico, 1973
PROCESSAMENTO
INDUSTRIAL
VOLUME
- I
II
Artur Raimundo Diniz de Andrade Engo Químico – Ms em Tecnologia de Alimentos
João Pessoa, janeiro de 2001
