INFLUENCE OF DRYING TEMPERATURE ON THE VOLUMETRIC CONTRACTION OF BRAZIL NUTS (BERTHOLLETIA EXCELSA)
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/dt10202505041901
Débora Freitas da Silva1
Raíssa Cristine Santos de Araújo2
Orientador: Lênio José Guerreiro de Faria3
Coorientador: Rafael Alves do Nascimento4
RESUMO
A contração volumétrica durante a secagem de produtos agrícolas influencia diretamente sua densidade e compactação, podendo ser utilizada como parâmetro para a otimização do processo. Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da temperatura do ar de secagem sobre as características físicas da amêndoa da castanha-do-Brasil (Bertholletia excelsa) e descrever o comportamento da contração volumétrica em função da perda de umidade. As amostras foram obtidas em mercado local na cidade de Belém (PA) e submetidas à secagem em estufa com circulação forçada de ar, nas temperaturas de 50, 60 e 70°C, até atingirem teor de umidade de, no mínimo, 0,15 (b.s.). As amêndoas apresentaram teor inicial médio de umidade de 0,80 (b.s.). O volume das amostras foi monitorado durante a secagem, e os dados experimentais foram ajustados por regressão não linear, utilizando o método dos mínimos quadrados no software Statistica 7.0. Os modelos de Midilli et al. (2002) e o modelo polinomial apresentaram melhor desempenho na descrição da cinética de secagem e da contração volumétrica, com elevados coeficientes de determinação, baixos erros médios relativos e distribuição aleatória dos resíduos, indicando bom ajuste aos dados experimentais.
Palavras-chave: Castanha-do-Brasil; Cinética de secagem; Contração volumétrica.
INTRODUÇÃO
A Bertholletia excelsa, popularmente conhecida como castanha-do-Brasil, é uma das mais importantes espécies nativas da Amazônia. Suas amêndoas são amplamente utilizadas como matéria-prima para a produção de diversos produtos alimentícios industrializados, como óleos, farinhas e snacks. Além de seu valor nutricional, a castanha é rica em lipídios (aproximadamente 60–70%), proteínas (14%) e selênio, sendo considerada funcional devido aos seus efeitos antioxidantes e anti- inflamatórios (Corrêa et al., 2021; Azevedo et al., 2020).
A secagem é um processo fundamental para a preservação de produtos agrícolas, pois reduz a umidade do alimento, inibindo o crescimento microbiano e prolongando sua vida útil. Este processo envolve simultaneamente a transferência de calor e massa, promovendo a evaporação da água livre e ligada no interior dos alimentos. A eficiência da secagem depende de diversos fatores, entre eles a temperatura, o fluxo de ar e as características físicas do produto (Perry; Chilton, 1973; Fiuza et al., 2022).
No caso da castanha-do-Brasil, o controle da umidade é crucial para evitar a proliferação de fungos toxigênicos, especialmente do gênero Aspergillus, que podem produzir aflatoxinas prejudiciais à saúde e à exportação do produto (ANVISA, 2021). Dessa forma, o conhecimento sobre o comportamento físico das amêndoas durante a secagem torna-se essencial para a definição de parâmetros seguros e eficientes no processamento pós-colheita (Souza et al., 2023).
Dentre as alterações físicas observadas durante a secagem, destaca-se a contração volumétrica, fenômeno resultante da perda de água que afeta diretamente a densidade, porosidade e qualidade final do produto. A avaliação da cinética de secagem e da contração volumétrica permite o ajuste de modelos matemáticos que auxiliam no dimensionamento e na otimização de sistemas de secagem industrial (Midilli et al., 2002; Martinazzo et al., 2010).
Considerando esses aspectos, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da temperatura do ar de secagem nas dimensões físicas e na contração volumétrica das amêndoas da castanha-do-Brasil, aplicando modelos matemáticos aos dados experimentais obtidos.
MATERIASIS E MÉTODOS
As amêndoas de castanha-do-Brasil (Bertholletia excelsa) utilizadas neste estudo foram adquiridas no mercado Ver-o-Peso, localizado em Belém (PA). Após a coleta, as castanhas foram transportadas ao Laboratório de Engenharia Química (LEQ), vinculado ao grupo de pesquisa em Engenharia de Produtos Naturais (GEPRON), da Universidade Federal do Pará (UFPA).
PRÉ-TRATAMENTO DAS AMOSTRAS
A remoção da casca externa foi realizada manualmente com o auxílio de um martelo de borracha. Em seguida, a película externa das amêndoas foi retirada. As amostras foram selecionadas visualmente, descartando-se unidades com sinal de deterioração. As amêndoas selecionadas foram lavadas com água destilada e deixadas secar naturalmente em temperatura ambiente (25°C) por 24 horas antes da análise.
DETERMINAÇÃO DA UMIDADE INICIAL
A umidade inicial das amostras foi determinada utilizando uma estufa com circulação de ar forçado da marca Memmert, modelo UL40, à temperatura de 105°C (± 1°C), durante 24 horas conforme recomendação da OAC (2019). A massa seca foi obtida por diferença de peso uma balança semi-analítica com precisão de 0,001g
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DAS AMÊNDOAS
Três amêndoas de cada lote, Figura 1, foram posicionadas em placas de Petri e analisadas individualmente quanto às dimensões: comprimento, largura e espessura. As medições foram feitas com auxílio de um paquímetro digital Mitutoyo (modelo DigimaticCaliper, resolução de 0,01 mm), como mostra Figura 2. As médias foram posteriormente utilizadas para o cálculo do volume aparente.
PROCESSO DE SECAGEM
A secagem foi realizada em um secador de bandeja com circulação forçada de ar da marca Quimis, modelo Q316M. As amêndoas foram submetidas a três diferentes temperaturas: 50°C, 60°C e 70°C. As medidas de massa e dimensões foram feitas em intervalos de 10 minutos na primeira hora, 20 minutos na segunda hora e 30 minutos na terceira hora, até que a umidade chegasse a valores próximos a 0,15 (b.s.).
CÁLCULO DA UMIDADE E CONTRAÇÃO VOLUMÉTRICA
O teor de umidade em base seca (Xbs) foi calculado pela Equação 1:
Na qual, m representa a perda média da massa de material durante o processo de secagem, ms a massa da fase seca, Xbs o teor de umidade em base seca.
Fazendo-se a representação gráfica dos valores experimentais de Xbs em função do tempo, obtém-se uma curva típica, conforme Figura3, que representa o caso geral quando um material inicialmente perde umidade por evaporação de superfícies saturadas e, após isso, por evaporação da umidade no seu interior que pode ocorrer por um ou mais mecanismos citados anteriormente.
Para a construção da curva de secagem, calculou-se a razão de umidade (Xr) do material, durante as diferentes condições experimentais, por meio da Equação 2, sendo: Xr a razão de umidade adimensional; X (% Base seca) é o teor de umidade no tempo (t), e X0 (% Base seca) refere-se ao teor de umidade inicial de material.
O Volume das amêndoas (V) foi calculado pela aproximação de um elipsóide, conforme a Equação 3:
Sendo a, b e c o comprimento, largura e espessura respectivamente.
O índice de contração volumétrica (ω) foi obtido pela Equação 4, em que V0 representa o volume inicial.
Os dados experimentais foram ajustados por regressão não linear, utilizando o software Statistica 7.0. Foram testados os modelos de Lewis (1921), Page (1949) e Midilliet al. (2002), considerando os seguintes parâmetros de ajuste: coeficiente de determinação R2, erro médio relativo (p) e distribuição dos resíduos.
Utilizando-se estimativas, na Tabela 1 estão representados os modelos que foram utilizados para ajustar os dados experimentais, escolhidos pois consideram o coeficiente de secagem (k) e a umidade da amostra (Xr).
Tabela 1. Modelos matemáticos testados na cinética de secagem
As curvas preditas das cinéticas de secagem foram elaboradas com base no modelo que melhor atende aos critérios estatísticos, no caso, o coeficiente de determinação (R2), Análise de resíduo e Gráfico 2D, onde são utilizadas as siglas IMP – Intercepta a maioria dos pontos e NIMP – Não intercepta a maioria dos pontos, se o modelo passa ou tangencia uma maior ou menor quantidade de pontos experimentais.
Nestas correlações, a, b, k, e n são constantes obtidas no ajuste dos dados experimentais aos modelos, através do método dos mínimos quadrados.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A massa e teor de umidade das amêndoas da castanha-do-Brasil em relação ao tempo de secagem estão expressas na Tabela 2. Os teores de umidade iniciais das amostras de 50, 60 e 70°C foram de 2,36, 2,18 e 2,14, respectivamente. Com estes dados obtidos foi possível efetuar as análises das curvas de secagem, bem como avaliar o efeito da temperatura em relação a umidade alcançada.
Tabela 2. Massa e teor de umidade das amostras no período de secagem em diferentes temperaturas
No que diz respeito à curva de secagem, após a realização da secagem das amêndoas, obteve se os dados cinéticos, como mostra a Tabela 3, apresentando o resultado dos ajustes dos modelos aos pontos experimentais, em termos do coeficiente de determinação (R2), dos erros médios relativos (P) e a tendência de distribuição dos resíduos (R).
Tabela 3. Valores dos coeficientes de determinação ajustados (R2), dos erros médios relativos (P) e a tendência de distribuição dos resíduos para os modelos matemáticos avaliados nas diferentes temperaturas
Midilliet al. (2002) observaram que geralmente é suficiente o uso de expressões semi empiricas simples para descrever adequadamente a cinética de secagem quando a resistência para a transferência de calor e massa é eliminada ou reduzida.
Os parâmetros obtidos pelo modelo de Midilliet al. (2002) são apresentados na Tabela 4, bem como, as curvas de secagem para as temperaturas de 50°C, 60°C e 70°C alcançadas a partir dos resultados experimentais da secagem das amêndoas da castanha do Brasil, como mostra a Figura 4.
Tabela 4. Parâmetros da equação de Midilliet al. (2002) para as temperaturas de 50°C, 60°C e 70°C
Os parâmetros “k” e “n” do modelo matemático de Midilliet al. (2002) aumentaram com a elevação da temperatura de 50 ºC para 70 °C. Esse mesmo comportamento foi observado por Mironov et al. (2023), que relataram o impacto da elevação da temperatura na eficiência da biosecagem de lodo de estações de tratamento de efluentes, evidenciando a relação entre as condições térmicas e a redução de umidade do material.
De acordo com Souza et al. (2023), o coeficiente de secagem “k” tende a aumentar com a elevação da temperatura do ar, refletindo uma maior taxa de remoção de umidade e, consequentemente, uma redução no tempo necessário para atingir o teor de equilíbrio. Em relação ao parâmetro “n”, Liu et al. (2021) destacam que ele atua como um fator de correção que ajusta a modelagem temporal do processo de secagem, especialmente em condições nas quais a resistência interna à difusão da umidade se torna significativa.
Figura 4. Curvas de secagem experimentais ajustadas ao modelo de Midilliet al. (2002) para as temperaturas de 50°C, 60°C e 70°C.
Ressalta-se, no gráfico exposto pela Figura 4, que na temperatura de 70ºC o teor de umidade adimensionalizada atingiu o 0,16 em 100 minutos, representando um teor de 7% em base seca. Na temperatura de 60ºC atingiu 0,2 de teor de umidade ao se passarem 210 minutos, representando um teor de 9% em base seca e para 50ºC o teor de umidade atingiu a diferença de 0,72 em 240 minutos que representa 31% em base seca.
Observa-se que para as temperaturas de 70°C e 60ºC as castanhas apresentaram teores de umidade finais similares. No entanto, a secagem não foi eficiente a temperatura de 50ºC removendo apenas 31% de umidade em relação à amostra in natura.
O tempo médio requerido para a amêndoa da castanha-do-Brasil atingir a umidade de equilíbrio, depende da temperatura e da espessura da camada, em razão da dificuldade de penetração de ar quente no seu interior, retardando a remoção da água do produto, observado na curva de 50ºC, por exemplo, em que a secagem foi realizada em maior tempo (240 minutos), porém na menor temperatura estudada.
Observa-se uma significativa redução no tempo necessário para secar as amêndoas da castanha-do-Brasil com o aumento da temperatura e a diminuição da espessura da camada de secagem. Esse comportamento foi confirmado por Bitencourt (2020), que demonstrou que amêndoas secas a 70ºC atingiram o teor de umidade de equilíbrio mais rapidamente do que aquelas secas a temperaturas mais baixas.
Observa-se que o aumento da temperatura do ar de secagem resulta em uma redução significativa no tempo necessário para atingir o teor de umidade desejado, indicando que a temperatura é um dos principais fatores que influenciam a cinética de secagem de produtos agrícolas. Esse comportamento foi observado em estudos recentes com diferentes produtos, como banana (Macedo et al., 2020), jujuba (Liu et al., 2021) e cascas e sementes de romã (Wanderley et al., 2023).
Em relação à contração de volume, para a determinação da contração volumétrica da castanha do Brasil, mediu-se as dimensões de comprimento (a), largura (b) e espessura (c), cujos valores estão representados na Tabela 5.
Tabela 5. Média das dimensões ortogonais da Castanha do Brasil
Utilizando as Equações 3 e 4 foi possível determinar o volume das amostras (V), o índice de contração volumétrica (ᴪ), em cada temperatura estudada, valores demonstrados na Tabela 6, assim como os valores do teor de umidade (Xr).
Tabela 6. Valores de teor de umidade (Xr), índice de contração (ᴪ) e volume (V) das amostras analisadas.
Deduz-se que os valores, dispostos na Tabela 6, da temperatura de 60ºC apresentaram os menores valores do teor de umidade e índice de contração volumétrica. Posteriormente plotou-se o gráfico do índice de contração versus o teor de umidade, descrito pela Figura 5.
Figura 5. Índice de contração versus teor de umidade
Observa-se, na Figura 5, que os dados calculados de contração volumétrica apresentaram um comportamento linear com a variação do teor de umidade, e que podem ser ajustados por um modelo matemático. Verifica-se também, na Figura 6 que a redução do teor de umidade em base seca de 37% (temperatura de 50ºC), 7% (temperatura de 60ºC) e 10 % (temperatura de 70ºC). Promoveu uma diminuição de aproximadamente 67%, 77% e 85%, nas temperaturas de 50ºC, 60ºC e 70ºC, respectivamente, comparados ao seu volume inicial.
Michalewicz et al. (2020) analisaram a contração volumétrica durante a secagem de fatias finas de caju (Anacardium occidentale L.) e observaram um comportamento linear entre a contração de volume e o teor de umidade, indicando uma relação direta entre a perda de água e a redução volumétrica do produto.
Os dados experimentais foram ajustados utilizando modelos matemáticos que consideram a umidade das amostras. Dentre os modelos testados, o polinomial apresentou desempenho satisfatório na predição da contração volumétrica das amêndoas de castanha-do-Brasil (Bertholletia excelsa). Estudos recentes, como o de Botelho et al. (2018), também empregaram modelos polinomiais para representar a contração volumétrica de grãos de soja durante o processo de secagem, evidenciando a eficácia desse tipo de modelagem para descrever as alterações físicas em produtos agrícolas submetidos à desidratação frutos de café.
CONCLUSÃO
O presente estudo demonstrou que a temperatura de secagem exerce influência significativa sobre a cinética de remoção de umidade e a contração volumétrica das amêndoas da castanha-do-Brasil. A análise dos dados indicou que a temperatura de 70°C foi a mais eficiente no processo de secagem, promovendo a maior redução do volume em menor tempo.
Embora a temperatura de 60°C tenha apresentado um menor índice de contração volumétrica e valores finais de umidade semelhantes aos obtidos a 70°C, o tempo necessário para alcançar esses valores foi superior, o que pode representar uma limitação em aplicações industriais que demandam maior produtividade.
Os modelos matemáticos avaliados mostraram-se eficazes para descrever o comportamento da secagem e da contração volumétrica. O modelo de Midilliet al. (2002) foi o que melhor se ajustou às curvas de secagem, enquanto o modelo polinomial apresentou melhor desempenho na predição da contração volumétrica, ambos com altos coeficientes de determinação e baixa margem de erro.
Esses resultados contribuem para a compreensão do comportamento físico da castanha-do-Brasil durante o processo de secagem e podem ser aplicados no aprimoramento de tecnologias pós-colheita, visando à conservação da qualidade e à otimização de processos industriais.
Recomenda-se, para trabalhos futuros, a análise da influência da secagem sobre a composição química, textura e propriedades sensoriais das amêndoas, bem como a aplicação de diferentes métodos de secagem, como a secagem por micro-ondas ou infravermelho, para comparação de desempenho.
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1Universidade Federal do Pará; email: debi2533@gmail.com
2Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Pará; raissa_tyne@hotmail.com
3Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal do Pará; e-mail:leniojgfaria@gmail.com
4Instituto Federal de Rondônia; e-mail: rafael.nascimento@ifro.edu.br