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

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

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.

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!

Ao querido Deus, pelo cuidado e amor em todos os questionamentos e transformaes.

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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