58570796 Tecnologia do Processamento de Alimentos Capitulo 1

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Parte I
PRINCÍPIOS BÁSICOS
1
Propriedades dos alimentos e
teoria do processamento
1.1 PROPRIEDADES DE LÍQUIDOS,
SÓLIDOS E GASES
Os líquidos, os gases e alguns sólidos (p.
ex., pós e materiais particulados) são denomina-
dos “fluidos” e podem fluir sem se desintegra-
rem quando uma pressão é aplicada sobre eles.
Em contraste, sólidos deformam-se quando uma
pressão é aplicada sobre eles (Seção 1.1.4). Nes-
ta seção, serão descritas as propriedades de flui-
dos e sólidos relevantes tanto para o projeto de
processos alimentícios quanto para a qualidade
dos alimentos processados. Tratamentos mate-
máticos mais aprofundados e derivações de fór-
mulas utilizadas nos cálculos de engenharia de
alimentos são fornecidos em diversos textos, in-
cluindo Toledo (1999), Lewis (1990), Brennan e
colaboradores (1990) e Earle (1983).
A transição de sólido para líquido e vice-
versa é conhecida como transição de fase e é im-
portante em muitos tipos de processamento de
alimentos (p. ex., água em vapor d’água na eva-
poração e destilação [Capítulo 13] e desidrata-
ção [Capítulo 15], água em gelo no congelamento
[Capítulo 21] e liofilização ou concentração pelo
frio [Capítulo 22] ou cristalização de gorduras
[Capítulo 23]). O fenômeno ocorre isotermi-
camente e na temperatura de transição de fase
pela liberação ou absorção de calor latente, po-
dendo ser representado por um diagrama de fa-
ses (p. ex., Capítulo 22, Figura 22.1).
Um segundo tipo de transição, conhecida
como transição vítrea, ocorre sem liberação ou
absorção de calor latente e envolve a transição
de um alimento para um estado vítreo amorfo
em sua temperatura de transição vítrea. O pro-
cesso depende do tempo, da temperatura e do
teor de umidade do alimento. Exemplos de tem-
peraturas de transição vítrea são dados no Capí-
tulo 21 (Tabela 21.2). Quando os materiais mu-
dam para a forma vítrea, eles não se tornam cris-
talinos, mas mantêm a desorganização do esta-
do líquido. No entanto, suas propriedades físi-
cas, mecânicas, elétricas e térmicas modificam-
se enquanto eles passam pela transição. No esta-
do vítreo, os alimentos tornam-se mais estáveis,
pois os compostos envolvidos nas reações quími-
cas que produzem a deterioração são imobiliza-
dos e requerem períodos mais longos de tempo
para se difundirem através do material para rea-
girem. Detalhes de nove conceitos fundamentais
que destacam a relação entre a mobilidade
molecular e a estabilidade do alimento são ex-
plicados por Fennema (1996). Processos que são
significativamente influenciados pela transição a
um estado vítreo incluem retenção de aromas,
cristalização, atividade enzimática, atividade
microbiana, escurecimento não-enzimático, oxi-
dação, aglomeração e aglutinação. A relação en-
tre a transição vítrea e a atividade da água (Se-
ção 1.5) e os fatores que afetam essa transição
são descritos em detalhes por Rahman (1999),
Blanshard (1995) e Fennema (1996).
1.1.1 Densidade e peso específico
É importante conhecer a densidade dos
alimentos nos processos de separação (Capítu-
lo 6), pois diferenças na densidade podem ter
26 P. J. FELLOWS
efeitos importantes na operação de redução de
tamanho e em equipamentos de mistura (Capí-
tulos 4 e 5). A densidade do material é igual a
sua massa dividida por seu volume, e sua uni-
dade é kg m-3. Exemplos de densidade de ali-
mentos sólidos e de outros materiais utilizados
no processamento de alimentos são mostrados
na Tabela 1.1 (veja também Capítulo 15, Tabe-
la 15.7), e exemplos de densidades de líquidos
são mostrados na Tabela 1.2. A densidade dos
materiais não é constante e altera-se com a tem-
peratura (temperaturas mais elevadas reduzem
a densidade dos materiais) e com a pressão. Isso
é particularmente importante para fluidos, nos
quais diferenças na densidade causam corren-
tes de convecção (Seção 1.4.3).
TABELA 1.1 Densidade de alimentos e outros materiais
Densidade
Densidade a granel Temperatura
Material (kg m–3) (kg m–3) (oC)
Sólidos
Alumínio 2.640 – 0
Cobre 8.900 – 0
Aço inoxidável 7.950 – 20
Concreto 2.000 – 20
Uvas 1.067 368 –
Tomates – 672 –
Limões / laranjas – 768 –
Frutas frescas 865-1.067 – –
Frutas congeladas 625-801 – –
Peixe fresco 967 – –
Peixe congelado 1.056 – –
Água (0o C) 1.000 – 0
Gelo (0o C) 916 – 0
Gelo (-10o C) 933 – -10
Gelo (-20o C) 948 – -20
Gordura 900-950 – 20
Sal 2.160 960 –
Açúcar (granulado) 1.590 800 –
Açúcar (pó) – 480 –
Amido 1.500 – –
Trigo 1.490-1.430 790-819
Farinha de trigo – 480 –
Cevada 1.374-1.415 564-650 –
Aveia 1.350-1.378 358-511 –
Arroz 1.358-1.386 561-591 –
Gases –
Ar 1,29 – 0
Ar 0,94 – 100
Gás carbônico 1,98 – 0
Gás carbônico 1,46 – 100
Nitrogênio 1,30 – 0
Adaptada de dados de Earle (1983), Lewis (1990), Milson e Kirk (1980), Peleg (1983) e Moshenim (1970).
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 27
A densidade de líquidos é uma medida
direta da relação massa/volume sob uma tem-
peratura determinada, porém para sólidos
particulados e pós existem duas formas de den-
sidade: a densidade dos pedaços individuais e
a densidade do conjunto do material, que tam-
bém inclui espaços de ar entre os pedaços. Esta
última medida é denominada densidade a gra-
nel e é a massa de sólidos dividida pelo volu-
me bruto. A fração do volume que é ocupada
pelo ar é chamada de porosidade (∈) e é calcu-
lada por:
∈ = Va / Vb
onde Va = volume do ar (m3) e Vb = volume
bruto (m3).
A densidade a granel do material depen-
de da densidade do sólido e da geometria, do
tamanho e das propriedades superficiais das
partículas individuais. Alguns exemplos dessa
densidade para alguns alimentos são mostra-
dos na Tabela 1.1 e ela é discutida em relação
a pós secos por spray drying no Capítulo 15.
A densidade dos líquidos pode ser expres-
sa como gravidade específica, um número
adimensional (Apêndice D), que é encontrado
pela divisão da massa (ou densidade) de um
líquido pela massa (ou densidade) de um volu-
me igual de água pura na mesma temperatura:
SG = massa de líquido/massa de água
SG = densidade de líquido/
densidade da água
Se a gravidade específica de um líquido é
conhecida em uma temperatura particular, sua
densidade pode ser encontrada usando:
ρ L = (SG)T . ρ W
onde ρ
 L = densidade líquida (kg m-3 ) e ρ W =
densidade da água, à temperatura T (oC).
A gravidade específica é muito utilizada no
lugar da densidade na produção de cerveja e em
outras fermentações alcoólicas (Capítulo 7), em
que o termo “gravidade original” (GO) é utiliza-
do para designar a gravidade específica do líqui-
TABELA 1.2 Propriedades de fluidos
Condutividade Calor Viscosidade
térmica específico Densidade dinâmica Temperatura
(W m-1 oK-1) (kJ kg-1 °K-1) (kg m-3) (N s m-2) (oC)
Ar 0,024 1,005 1,29 1,73 x 10-5 0
0,031 1,005 0,94 2,21 x 10-5 100
Gás carbônico 0,015 0,80 1,98 0
Oxigênio 0,92 1,48 x 10-3 20
Nitrogênio 0,024 1,05 1,30 0
Refrigerante 12 0,0083 0,92
Água 0,57 4,21 1.000 1,79 x 10-3 0
0,68 4,21 958 0,28 x 10-3 100
Solução de sacarose (60%) 6,02 x 10-2 20
Solução de sacarose (20%) 0,54 3,8 1.070 1,92 x 10-3 20
Solução de cloreto de sódio (22%) 0,54 3,4 1.240 2,7 x 10-3 2
Ácido acético 0,17 2,2 1.050 1,2 x 10-3 20
Etanol 0,18 2,3 790 1,2 x 10-3 20
Óleo de colza 900 1,18 x 10-1 20
Óleo de milho 1,73 20
Azeite de oliva 0,168 8,4 x 10-2 29
Óleo de girassol 1,93 20
Leite integral 0,56 3,9 1.030 2,12 x 10-3 20
2,8 x 10-3 10
Leite desnatado 1.040 1,4 x 10-3 25
Creme de leite (20% gordura) 1.010 6,2 x 10-3 3
Goma guar (solução de 1%) 1,5 x 10-2
Goma xantana (solução de 1%) 1.000
De Earle (1983), Lewis (1987) e Peleg e Bagley (1983).
1.1
1.3
1.2
1.4
28 P. J. FELLOWS
do antes da fermentação (p. ex., “1.072” ou “72”
referem-se à gravidade específica de 1,072).
A densidade dos gases depende de sua
pressão e temperatura (Tabela 1.1). Apressão
é geralmente expressa como pressão gauge,
quando é acima da pressão atmosférica, ou
como vácuo gauge, quando é abaixo da pres-
são atmosférica. A pressão é calculada utilizan-
do a equação dos gases ideais:
PV = nRT
onde P = pressão absoluta (Pa), V = volume
(m3), n = número de móis de gás (kmole), R
= constante dos gases (8.314 (N[m]/[kmole
K]) e T = temperatura (K).
Essa equação é útil para calcular transfe-
rências gasosas em aplicações como armaze-
nagem ou embalagem em atmosfera modifica-
da (Capítulo 20), congelamento criogênico
(Capítulo 21) e permeabilidade de materiais
de embalagem (Capítulo 24).
1.5
Problema-exemplo 1.1
Calcule a quantidade de oxigênio que entra através de um filme de embalagem de polietileno em 24 horas,
se, o pacote possui uma área superficial de 750 cm2 e uma permeabilidade ao oxigênio de 120 mL m-2 por 24
horas a 23°C e umidade relativa de 85% (veja Capítulo 24, Tabela 24.2).
Solução do Problema-exemplo 1.1
O volume de oxigênio entrando através do polietileno:
Utilizando a Equação 1.5
n = 9,0 x 1.000 / (8.314 x 273)
= 0,00396 kmole
V = 120 x 750
100 2
= 9,0 cm3
A densidade de gases e vapores é tam-
bém referida como volume específico, que é o
volume ocupado por uma unidade de massa
do vapor ou gás e é o inverso da densidade.
Esse valor é utilizado, por exemplo, no cálculo
da quantidade de vapor que deve ser empre-
gada pelos ventiladores durante a desidrata-
ção (Capítulo 15) ou por bombas de vácuo
durante a liofilização (Capítulo 22) ou evapo-
ração a vácuo (Capítulo 13). Mais detalhes são
dados por Lewis (1990) e Toledo (1999). Quan-
do ar é incorporado em líquidos (p. ex., mas-
sas para bolo, sorvete, merengue), forma-se
uma espuma e a densidade é reduzida. A quan-
tidade de ar incorporada é denominada over-
run e é descrita no Capítulo 4 (Seção 4.2.3).
Valores típicos de over-run são 60 a 100% para sorvetes e 100 a 120% para creme batido.
volume de espuma – volume de líquido
volume de líquido
 x 100over-run =
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 29
1.1.2 Viscosidade
A viscosidade é uma característica impor-
tante para alimentos líquidos em diversas áreas
do processamento de alimentos. Por exemplo,
a sensação bucal de produtos como ketchup,
creme de leite, xaropes e iogurte depende de
sua consistência ou viscosidade.1 A viscosida-
de de muitos líquidos altera-se durante o aque-
cimento, o resfriamento, a concentração, etc.,
e isso tem efeitos importantes, por exemplo,
na força necessária para bombear esses produ-
tos. A viscosidade de alguns fluidos comuns é
mostrada na Tabela 1.2.
A viscosidade pode ser considerada a re-
sistência interna do líquido ao fluxo. Um líqui-
do pode ser visto como tendo uma série de ca-
madas e, quando flui sobre uma superfície, a
camada superior flui mais rapidamente e ar-
rasta junto a seguinte em uma velocidade um
pouco mais baixa, e assim por diante, ao longo
de todas as camadas, até a última, junto à su-
perfície, que permanece estacionária. A força
que move o líquido é conhecida como força ou
tensão de cisalhamento; e o gradiente de velo-
cidade, como taxa de cisalhamento. Em um
gráfico da tensão de cisalhamento em relação
à taxa de cisalhamento, a maioria dos líquidos
simples e dos gases mostra uma relação linear
(linha A na Figura 1.1) e são denominados flui-
dos newtonianos. Exemplos incluem a água, a
maioria dos óleos, gases e soluções simples de
açúcares e sais. Quando a relação não é linear
(linhas B-E, na Figura 1.1), os fluidos são de-
nominados não-newtonianos. Mais detalhes são
fornecidos por Nedderman (1997). Para todos
os líquidos, a viscosidade decresce com o au-
mento da temperatura, porém, para a maioria
dos gases, ela aumenta com a temperatura
(Lewis, 1990).
Muitos líquidos são não-newtonianos, in-
cluindo emulsões, suspensões e soluções con-
centradas que contêm amidos, pectinas, gomas
e proteínas. Esses líquidos freqüentemente apre-
sentam propriedades newtonianas em baixas
concentrações, mas, à medida que a concentra-
ção da solução aumenta, a viscosidade aumen-
ta rapidamente, e ocorre uma transição para
propriedades não-newtonianas (Rielly, 1997).
Fluidos não-newtonianos podem ser classifica-
dos, de forma genérica, nos seguintes tipos:
• Fluidos pseudoplásticos (linha B, na Fi-
gura 1.1): a viscosidade decresce com
o aumento da taxa de cisalhamento (p.
ex., emulsões e suspensões tais como
sucos de frutas concentrados e purês).
• Fluidos dilatantes (linha C, na Figura
1.1): a viscosidade aumenta com a
taxa de cisalhamento (esse comporta-
mento é menos comum mas é encon-
trado no chocolate líquido e em sus-
pensões de farinha de milho).
• Fluidos plásticos de Bingham ou
Casson (linhas D e E, na Figura 1.1):
não existe fluxo até que uma certa ten-
são de cisalhamento seja atingida, en-
tão a taxa de cisalhamento é linear
(tipo Bingham) ou não-linear (tipo
Casson) (p. ex., ketchup).
• Fluidos tixotrópicos: a estrutura que-
bra-se e a viscosidade diminui com
uma tensão de cisalhamento contínua
(a maioria dos cremes).
• Fluido reopéctico: a estrutura se for-
talece e a viscosidade aumenta com
uma tensão de cisalhamento contínua
(p. ex., creme batido).
• Material viscoelástico: exibe proprie-
dades viscosas e elásticas ao mesmo
tempo. Quando a tensão de cisalha-
mento é removida, o material nunca
retorna integralmente à forma origi-
nal, e ocorrendo uma deformação per-
manente (p. ex., massa de pão, quei-
jo, géis).
30 P. J. FELLOWS
A medida da viscosidade é complexa pela
variedade de termos utilizados para descrevê-
la. A mais simples é a relação entre tensão de
cisalhamento e taxa de cisalhamento, que é
denominada viscosidade dinâmica (kg m–1 s-1).
Ela está relacionada a um outro termo, visco-
sidade cinemática (m2 s-1) da seguinte forma:
viscosidade cinemática =
Outros termos, incluindo viscosidade re-
lativa, viscosidade específica e viscosidade apa-
rente, junto com descrições de métodos de me-
dição da viscosidade, são apresentados por
Lewis (1990) e Toledo (1999).
1.1.3 Atividade superficial
Uma grande quantidade de alimentos é
formada por dois ou mais componentes imiscí-
veis, que possuem uma camada limite entre as
duas fases (Tabela 1.3). Essas fases são conhe-
cidas como fase dispersa (que contém peque-
nas gotículas ou partículas) e fase contínua
(aquela na qual as gotículas ou partículas es-
tão dispersas). Detalhes da preparação de
emulsões são fornecidos no Capítulo 4.
Uma característica desses sistemas é a
grande área superficial da fase dispersa que
está em contato com a fase contínua. Para au-
mentar a área superficial, é necessário intro-
duzir uma quantidade considerável de ener-
gia no sistema, utilizando, por exemplo, um
misturador de alta velocidade ou um homoge-
neizador. Quando se criam novas superfícies,
formam-se gotículas. Para entender o porquê
disso, é necessário conhecer as forças atuando
nos líquidos: dentro da massa de um líquido
as forças que atuam em cada molécula indivi-
dualmente são iguais em todas as direções e
podem anular-se. No entanto, na superfície, a
atração líquida é na direção da massa do lí-
quido, e, como resultado, as moléculas da
FIGURA 1.1 Mudanças na viscosidade de fluidos newtonianos (A) e diferentes tipos de fuidos não-
newtonianos; (B) fluido pseudoplástico; (C) fluido dilatante; (D) fluido plástico tipo Bingham e (E) fluido
plástico tipo Casson. (De Lewis, 1990.)
Tensão de cisalhamento
Taxa de cisalhamento
AB
C
D
E
1.6
viscosidade dinâmica
densidade
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 31
TABELA 1.3 Exemplos de sistemas de alimentos coloidais
Fase Fase
dispersa contínua Nome Exemplo
Líquida Gás Neblina, névoa, aerossol Sprays (p. ex. secagem por spray)
Sólida Gás Fumaça, aerossol Névoa de gás carbônico, fumaça
Gás Líquida EspumaCreme batido, aeração de meio de fermentação, hidrogena-
ção de óleos (hidrogênio em óleos)
Líquida Líquida Emulsão Creme, maionese, margarina, molho para saladas, salsichas
e bolos
Sólida Líquida Solução, solução coloidal, gel Achocolatados, suco de frutas
Gás Sólida Espuma sólida Merengue, sorvete
De Lewis (1990).
superfície são “puxadas para dentro” e estão
em estado de tensão (produzida pelas forças
de tensão superficial). Isso faz com que as
gotículas líquidas se transformem em esferas
porque essa forma possui a menor área su-
perficial para o volume de líquido específico.
Emulsões
Os compostos químicos que reduzem a
tensão superficial de um líquido são denomi-
nados de superfície ativa e são conhecidos como
“surfactantes”, “emulsificantes” ou “detergen-
tes”. Pela redução da tensão superficial eles per-
mitem que novas superfícies sejam produzidas
mais facilmente quando a energia é incorpora-
da ao sistema (p. ex., por homogeneizadores),
permitindo, assim, que um maior número de
gotículas seja formado. Existem surfactantes
que ocorrem naturalmente nos alimentos, in-
cluindo álcoois, fosfolipídeos e proteínas, que
são algumas vezes utilizados para criar
emulsões em alimentos (p. ex., utilizar ovos
em massa para bolos). No entanto, compostos
químicos sintéticos possuem uma atividade
superficial maior e são utilizados em quanti-
dades muito pequenas para criar emulsões.
Outros são utilizados em detergentes para ope-
rações de limpeza (Capítulo 26). Detalhes de
agentes emulsificantes sintéticos são forneci-
dos no Capítulo 4 e no Apêndice C.
Agentes de atividade superficial possuem
moléculas polares (ou “hidrofílicas”) em uma
extremidade e não-polares (ou “lipofílicas”) na
outra. Em emulsões, as moléculas dos emulsifi-
cantes orientam-se na superfície das gotículas,
com a terminação polar na fase aquosa e a não-
polar na fase oleosa.
Detergentes são agentes de superfície ati-
va que reduzem a tensão superficial de líqui-
dos, tanto para promover a “molhabilidade”
(espalhamento do líquido) quando para agir
como emulsificantes para dissolver gorduras. As
moléculas detergentes possuem uma região
lipofílica formada por uma longa cadeia de áci-
dos graxos e uma região hidrofílica com um sal
sódico de acido carboxílico (detergente
saponáceo) ou de sulfonato alquílico ou arílico
(detergentes aniônicos). Detergentes aniônicos
não são afetados pela água dura, ao passo que
detergentes saponáceos formam uma espuma
escura em água dura. Detergentes não-iônicos,
que possuem álcoois, ésteres ou éteres como o
componente hidrofílico, produzem pouca espu-
ma e são facilmente enxaguados. Enzimas tam-
bém podem ser adicionadas aos detergentes
para remover proteínas, outros ingredientes
podem incluir polifosfatos (para amaciar a água
e manter a sujeira em suspensão), sulfato ou
silicato de sódio (para fazer detergentes em pó
que fluam livremente) e perborato de sódio
(agente branqueador).
Espumas
Espumas são sistemas bifásicos que pos-
suem bolhas de gás dispersas em um líquido
ou sólido separadas por uma película fina. Além
das espumas alimentares (Tabela 1.3), as es-
pumas são muito utilizadas para limpar equi-
32 P. J. FELLOWS
pamentos. Os principais fatores necessários
para produzir uma espuma estável são:
• baixa tensão superficial para permitir
que as bolhas contenham mais ar e
evitar a contração;
• gelificação ou insolubilização da pelí-
cula das bolhas para minimizar a per-
da do gás contido e aumentar a rigi-
dez da espuma; e
• baixa pressão de vapor nas bolhas para
reduzir evaporação e ruptura do fil-
me.
Em espumas alimentares, a estrutura da
espuma pode ser estabilizada por congelamen-
to (sorvetes), por gelificação (endurecimento
da gelatina em marshmallow), por aquecimento
(bolos e merengues) ou por adição de estabili-
zantes como proteínas ou gomas (Apêndice C).
1.1.4 Reologia e textura
A textura dos alimentos tem uma influ-
ência substancial na percepção da qualidade
pelos consumidores. Durante a mastigação, in-
formações sobre as modificações da textura do
alimento são transmitidas ao cérebro pelos
sensores na boca, pela audição e pela memó-
ria para construir uma imagem das proprieda-
des de textura do alimento. Isso pode ocorrer
em algumas fases:
1. Uma avaliação inicial da dureza, da
capacidade de quebrar e da consis-
tência durante a primeira mordida.
2. Uma percepção da mastigabilidade,
da adesividade e da gomosidade du-
rante a mastigação e da umidade e
da oleosidade do alimento, além de
uma avaliação do tamanho e da ge-
ometria dos pedaços individuais do
alimento.
3. Uma percepção da taxa na qual o
alimento se quebra durante a masti-
gação, dos tipos de pedaços forma-
dos, da liberação ou absorção de
umidade ou de qualquer cobertura
na boca e na língua pelo alimento.
Essas várias características foram catego-
rizadas (Tabela 1.4) e utilizadas para avaliar e
monitorar as modificações na textura que afe-
tam a qualidade dos alimentos.
Reologia é a ciência da deformação de
objetos sob a influência de forças aplicadas.
Quando um material sofre um estresse ele se
deforma, e a taxa e o tipo de deformação carac-
terizam suas propriedades reológicas (as de ali-
mentos sólidos estão descritas em maiores de-
talhes no Capítulo 4). Um grande número de
diferentes métodos tem sido utilizado para ava-
liar a textura dos alimentos, incluindo perfil de
textura por métodos sensoriais, utilizando pai-
néis de testadores (p. ex., Bourne, 1982), a Aná-
TABELA 1.4 Características da textura dos alimentos
Característica primária Característica secundária Termo popular
Características mecânicas
Dureza Macio a firme a duro
Coesividade Fragilidade Farelento, crocante, quebradiço
Mastigabilidade Tenro, mastigável, duro
Gomosidade Curto, farinhento, pastoso, borrachudo
Viscosidade Fino, viscoso
Elasticidade Plástico, elástico
Adesividade Grudento, liguento, pegajoso
Características geométricas
Tamanho e forma das partículas Arenoso, granulado, grosseiro
Forma e orientação das partículas Fibroso, celular, cristalino
Outras características
Teor de umidade Seco a úmido a molhado a aguado
Teor de gordura Oleosidade Oleoso
Engraxamento Gorduroso
Adaptada de Szczesniak (1963).
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 33
FIGURA 1.2 Exemplo de avaliação de textura utilizando análise descritiva quantitativa. (Adaptada de
Clark, 1990.)
lise Descritiva Quantitativa (QDA) (Figura 1.2),
descrita por Clark (1990), e métodos empíricos
nos quais as medidas das forças necessárias para
cisalhar, penetrar, extrudar, comprimir ou cor-
tar um alimento são relacionadas a suas carac-
terísticas de textura. Esses métodos foram revi-
sados por Kilcast (1999), Rosenthal (1999),
Lawless e Heyman (1998) e Brennan (1984).
Exemplos de métodos instrumentais inclu-
em o sistema Brabender, para medir a textura
de massas ou a viscosidade de pastas de amido;
penetrômetros de cone ou pino, para medir a
taxa de estresse em margarinas ou a dureza de
frutas; o texturômetro General Foods, que si-
mula a mastigação pela compressão do alimen-
to utilizando um êmbulo; e o equipamento
Instron Universal Testing, que mede as forças
de estresse e tensão por compressão e exten-
são. Métodos químicos incluem a medida do teor
de amido ou pectina, e métodos microscópicos
incluem microscopia eletrônica de emulsões ou
da estrutura da carne de gado ou peixe. Esses
métodos são descritos detalhadamente por
Sherman (1979), Prentice (1984), Bourne
(1978), Brennan (1984), Kramer e Szczesniak
(1973), Lewis (1990) e Bourne(1982).
1.2 TRANSFERÊNCIA DE MASSA
A transferência de massa é um aspecto im-
portante de um grande número de operações de
processamento de alimentos: é um fator funda-
mental em extrações com solvente, destilação
(Capítulo 13) e processos com membranas (Ca-
pítulo 6) e é um fatorimportante na perda de
nutrientes durante o branqueamento (Capítulo
10). A transferência de massa de gases e vapores
é um fator primário na evaporação (Capítulo 13),
na desidratação (Capítulo 15), no forneamento
e no cozimento (Capítulo 16), na fritura (Capí-
tulo 17) e na liofilização (Capítulo 22), é a razão
de queimaduras durante o congelamento (Capí-
tulo 21) e é a causa da perda de qualidade ali-
Textura
firme
Gel de amido
Goma gelana
Goma xantana / guar
Textura
grossa
Textura
mastigável
Textura
borrachenta
Textura
granulada
Textura
pegajosaTextura
farinhenta
Textura
desaparece
Taxa de
dissolução
Textura
escorregadia
Textura grossa
Tempo de
dissolução
34 P. J. FELLOWS
mentar em alimentos refrigerados, mantidos em
atmosfera modificada e embalados (Capítulos 19,
20 e 24, respectivamente).
De forma análoga à transferência de calor
(Seção 1.4), os dois fatores que influenciam a
taxa da transferência de massa são a força
motora que move os materiais e a resistência ao
seu fluxo. Ao considerar sólidos dissolvidos em
líquidos, a força motriz é a diferença na con-
centração de sólidos, ao passo que para gases e
vapores é a diferença na pressão parcial ou pres-
são de vapor. A resistência surge do meio atra-
vés do qual o líquido, gás ou vapor se move e de
qualquer interação entre o meio e o material.
Um exemplo de transferência de massa é
a difusão de vapor d’água por uma camada li-
mite de ar em uma operação como desidrata-
ção, forneamento, etc. A embalagem também
cria camadas limites adicionais que atuam
como barreiras ao movimento da umidade e à
transferência de calor (Figura 1.3).
A taxa de difusão é encontrada utilizando:
NA = DW / RTx . PT / PAm . (Pw1 – Pw2)
onde NA (kg s-1) ou (kmol s-1) = taxa de difu-
são, Dw = coeficiente de difusão do vapor
d’água no ar, R = constante dos gases (= 8,134
kJ/kmo-1K-1), T (K) = temperatura, x (m) =
largura da camada estacionária, PT(kN m-2) =
pressão total, PAm (kN m-2) = pressão média
do gás não-difusor pela camada estacionária e
Pw1 – Pw2 (kN m-2) = força motriz da pressão
do vapor d’água.
Fórmulas para a difusão de solutos atra-
vés de líquidos e para gases dissolvidos em lí-
quidos são fornecidas por Lewis (1990) e
Toledo (1999).
Balanços de massa
A lei de conversão de massa estabelece
que “a massa de material entrando em um sis-
tema é igual à massa de material saindo”. Isso
tem aplicação, por exemplo, na mistura (Capí-
tulo 5), na fermentação (Capítulo 7) e na eva-
poração (Capítulo 13).
Geralmente, um balanço de massa para
um processo toma a seguinte forma:
massa de matérias-primas entrando = massa de
produtos e resíduos saindo + massa de material
armazenado + perdas
Muitos balanços de massa são analisados
em condições de estado estacionário, no qual
a massa de material armazenado e as perdas
são iguais a zero. Os balanços de massa são
utilizados para calcular as quantidades de ma-
terial em diferentes linhas de processo e para
projetar processos e para calcular formulações,
a composição após mistura, rendimentos de
processo e eficiências de separação. Um balan-
ço de massa típico está mostrado na Figura 1.4.
FIGURA 1.3 Barreiras da embalagem à transfe-
rência de massa e ao fluxo de calor.
Embalagem
Ar
Ar
Alimento
Filmes limites
1.7
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 35
Aqui o balanço de massa total é:
W + A = ar úmido + D
O balanço de massa para o ar é:
A + umidade = ar úmido
FIGURA 1.4 Diagrama de fluxo de materiais durante o assamento em forno.
Ar (A)
Ar
Ar úmido
Umidade
Massa úmida (W)
Sólidos
Massa assada (D)
O balanço de massa para os sólidos é:
W = ar úmido + D
Exemplos de cálculos de balanço de mas-
sa são mostrados no Capítulo 13 (Problema-
exemplo 13.3) e Capítulo 15 (Problema-exem-
plo 15.2).
Em aplicações envolvendo concentração
ou diluição, o uso da fração mássica ou porcen-
tagem em peso é freqüentemente utilizado:
Fração mássica A =
ou
Massa total da mistura =
Problema-exemplo 1.2
Calcule o balanço de massa total e o balanço de massa dos componentes para a mistura de ingredientes para
produzir 25 kg de salsichas com um teor de gordura de 30%, utilizando carne de gado fresca e gordura de gado.
Tipicamente, a carne de gado contém 18% de proteína, 12% de gordura e 68% de água, e a gordura de gado
contém 78% de gordura, 12% de água e 5% de proteína.
Solução do Problema-exemplo
Considerar F = massa de gordura de gado (kg)
Considerar M = massa de carne de gado (kg)
massa do componente A
fração mássica de A
massa do componente A
massa total da mistura
Gordura (78% de gordura, 12%
de água, 5% de proteína)
(F)
Cutter
Carne (M)
18% de proteína, 12% de
gordura e 68% de água
Salsichas (S)
(25 kg, 30%
de gordura)
36 P. J. FELLOWS
Se o peso do componente e sua fração
mássica são conhecidos, a massa total da mistu-
ra pode ser determinada. Cálculos computado-
rizados de formulações são descritos no Capítu-
lo 2 (Seção 2.2.1).
Um método simples para calcular a massa
relativa de dois materiais necessários para uma
mistura de composição conhecida é o quadrado
de Pearson (Anon., 1996). Se, por exemplo, lei-
te homogeneizado (3,5% de gordura) é mistu-
rado com creme de leite (20% de gordura) para
produzir um creme de leite light com 10% de
gordura, o quadrado de Pearson (Figura 1.5) é
construído com a composição de gordura dos
ingredientes no lado esquerdo e o teor de gor-
dura do produto no centro. Segundo o quadra-
do, pela subtração diagonal, as proporções re-
sultantes de leite e creme de leite podem ser
encontradas (i.e., 10 partes de leite e 6,5 partes
de creme, na Figura 1.5). Um método alternati-
vo é utilizar o balanço total e o balanço de gor-
dura (veja Problema-exemplo 1.2). Toledo
(1999) descreve a aplicação de balanços de mas-
sa em processamentos de múltiplos estágios e
inclui um programa de computador para o uso
de balanços de massa em formulação de recei-
tas. Outro exemplo do uso do quadrado de
Pearson é mostrado no Problema-exemplo 1.3.
Balanço de massa total
M + F = 25
Balanço de gordura
0,12 M + 0,78F = 0,3 (25)
Substituindo M = 25 – F no balanço de gordura
0,12 (25 – F) + 0,78 F = 7,5
3,0 – 0,12 F + 0,78 F = 7,5
= 6,82 kg
E
M = 25 – 6,82
= 18,18 kg
FIGURA 1.5 Quadrado de Pearson. (De Anon, 1996.)
Leite
3,5 10
10
20 6,5
Creme de leite
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 37
1.3 FLUXO DE FLUIDOS
Muitos tipos de alimentos líquidos são
transportados por tubulações durante o proces-
samento, e pós e pequenas partículas são ma-
nuseados mais facilmente do que fluidos (por
fluidização). Os gases obedecem às mesmas leis
que os líquidos, e, para efeito de cálculos, são
tratados como fluidos compressíveis. As proprie-
dades de alguns fluidos selecionados são mos-
tradas na Tabela 1.2. O estudo dos fluidos é,
portanto, de grande importância no proces-
samento de alimentos, sendo dividido em está-
tica de fluidos (fluidos estáticos) e dinâmica de
fluidos (fluidos em movimento).
Uma propriedade dos líquidos estáticos é a
pressão que eles exercem no recipiente que os
contém. Esta está relacionada com a densidade
do líquido e a altura de sua massa no recipiente.
Os líquidos na base de um recipiente estão a uma
pressão maior do que os na superfície, por causa
do peso do líquido acima deles (a pressão
hidrostática). Essa é uma importante característi-
ca para o projeto de tanques de contenção ou
armazenagem e processamento, de forma a ga-
rantir que o recipiente seja construído com ma-
teriais de resistência adequada. Uma grande pres-
são hidrostática também afeta o ponto de ebuli-
ção de líquidos, o que é essencial para o projeto
de alguns tipos de evaporadores (Capítulo 13).
Quando um líquido passa por encanamen-tos ou equipamentos de processamento existe
perda de energia e queda na pressão devido à
resistência friccional ao fluxo. Essa perda pela
fricção e as alterações nas energias potencial,
cinética e de pressão são descritas em detalhes
nos textos de engenharia de alimentos
referenciados no início deste capítulo e por
Loncin e Merson (1979). A perda de pressão
nos canos é determinada por vários fatores, in-
cluindo a densidade e a viscosidade do fluido,
o comprimento e o diâmetro do cano e o nú-
mero de curvas, válvulas, etc., na tubulação.
Para superar essa perda de energia é preciso,
utilizando bombas para transportar o fluido,
aplicar uma força necessária que é determina-
da pela viscosidade do fluido (Seção 1.1.2),
pelo tamanho dos canos, pelo número de cur-
vas e conexões e pela altura e distância que o
fluido deve ser transportado.
Para calcular o balanço de energia quan-
do um líquido circula por uma tubulação, o
efeito das válvulas e curvas na taxa de fluxo
ou a pressão produzida pela bomba, utiliza-se
a equação de Bernoulli, que demonstra a con-
servação de energia.
Problema-exemplo 1.3
Use o quadrado de Pearson para calcular a quantidade de suco de laranja (10% de açúcar) e xarope (60%
de açúcar) necessária para produzir 50 kg de refresco de fruta contendo 15% de açúcar.
Solução do Problema-exemplo 1.3
O resultado indica que 45 kg de suco de laranja devem ser misturados com 5 kg de xarope.
Suco de laranja
10 45
15
60 5
Xarope
38 P. J. FELLOWS
onde P(Pa) = pressão, r (kg m-3) = densidade do
fluido, g (= 9,81 m s-1) = aceleração da gravida-
de, v (m s-1) = velocidade do fluido e z (m) =
altura. O subscrito 1 indica a primeira posição na
tubulação e o subscrito 2, a segunda.
P1 + v
2 = z1g = P2 + v
2 + z2g
ρ1 2 ρ2 2
1 2
1.8
FIGURA 1.6 Aplicação da equação de Bernoulli
ao fluxo de fluido sem fricção.
A
B
v1
v2z1
z2
Problema-exemplo 1.4
Uma solução de sacarose a 20% passa de um tanque de mistura a 50 kPa através de um cano horizontal de
5 cm de diâmetro a 25 m3 h-1. Se o diâmetro do cano for reduzido para 3 cm, calcule a nova pressão no cano.
(A densidade da solução de sacarose é 1.070 kg m-3 [Tabela 1.2].)
Solução para o problema-exemplo 1.4
Taxa de fluxo = 25
3.600 m3 s-1
= 6,94 x 10-3 m3 s-1
Área do cano 5 cm de diâmetro = D2
= (0,05)2
= 1,96 x 10-3 m2
Velocidade de fluxo =
= 3,54 m s-1
Área do cano de 3 cm de diâmetro = 7,07 x 10–4 m2
Velocidade de fluxo =
= 9,81 m s-1
Usando a Equação 1.8
π
4
3,142
4
6,94 x 10-3
1,96 x 10-3
6,94 x 10-3
7,70 x 10-4
3,542 + 50 x 10-3 + 0 = P2 + 9,81
2 + 0
2 1.070 1.070 2
Portanto,
P2 = 56.656 Pa
= 56,7 kPa
P1 + v 
2 = z1g = P2 + v 
2 + z2g
ρ1 2 ρ2 2
1 2
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 39
FIGURA 1.7 Fluxo de fluidos: (a) distribuição de velocidade e camada limite; (b) fluxo laminar; (c) fluxo
turbulento.
Filme limite
(a) Velocidade
(b)
Filme
limite
Em qualquer sistema em que exista um
fluxo de fluidos, há um filme limite (ou filme
superficial) de fluido junto à superfície sobre a
qual o fluido escorre (Figura 1.7a). A espessu-
ra do filme limite é influenciada por uma série
de fatores, incluindo a velocidade, a viscosida-
de, a densidade e a temperatura do fluido. Os
fluidos que possuem baixa taxa de fluxo ou alta
viscosidade podem ser considerados uma série
de camadas que se movem umas sobre as ou-
tras sem se misturar (Figura 1.7b). Isso pro-
duz o movimento do fluido, que é denomina-
do de fluxo laminar. Em um cano, sua veloci-
dade é maior no centro e inexistente nas pare-
des. Acima de uma certa taxa de fluxo, que é
determinada pela natureza do fluido e do cano,
as camadas misturam-se, e estabelece-se um
fluxo turbulento (Figura 1.7c) no seio do flui-
do, apesar de o fluxo permanecer laminar na
camada limite. Os fluxos maiores produzem
mais turbulência e, portanto, uma camada li-
mite mais fina.
O fluxo de fluidos é caracterizado por um
número adimensional (Apêndice D) denomi-
nado número de Reynolds (Re). Ele é calculado
utilizando
Re = Dvρ
μ 1.9
onde D (m) = diâmetro do cano, v (m s-1) = ve-
locidade média, ρ (kg m-3) = densidade do flui-
do e μ (N s m-2) = viscosidade do fluido.
(c)
40 P. J. FELLOWS
Um número de Reynolds menor que 2.100
caracteriza um fluxo laminar, e maior que 4.000,
um fluxo turbulento. Para números de Reynolds
entre 2.100 e 4.000, tem-se um fluxo de transi-
ção, que pode ser tanto laminar ou turbulento
em momentos diversos. Essas diferentes carac-
terísticas de fluxo possuem implicações impor-
tantes para a transferência de calor e operações
de mistura; o fluxo turbulento produz uma ca-
mada limite mais fina, que permite taxas maio-
res de transferência de calor. As implicações
desse fenômeno para o projeto e desempenho
de equipamentos são discutidas nos Capítulos
11 a 13 e 17 (para líquidos em tubos ou sobre
placas de metal). O número de Reynolds tam-
bém pode ser usado para determinar a potência
necessária de bombas e misturadores utilizados
para operações de mistura (Capítulo 5).
Em fluxo turbulento, as partículas do flui-
do movimentam-se em todas as direções, e os
sólidos são mantidos em suspensão mais facil-
mente. Isso reduz a formação de depósitos em
trocadores de calor e evita a deposição de sóli-
dos na tubulação. O fluxo laminar produz uma
variação mais ampla do tempo de residência
para as partículas individuais fluindo em um
tubo. Isso é especialmente importante para o
cálculo do tempo de residência necessário para
o tratamento térmico de alimentos líquidos, uma
vez que é preciso garantir que todas as partes
do alimento recebam a quantidade de calor de-
terminada. Esse aspecto é discutido em mais
detalhes em relação ao aquecimento ôhmico
(Capítulo 18). O fluxo turbulento causa maio-
res perdas por fricção que o fluxo laminar e,
portanto, requer maior energia das bombas.
Problema-exemplo 1.5
Dois fluidos, leite e óleo de colza, são escoados por tubulações de mesmo diâmetro (5 cm) a 20°C e na
mesma velocidade de 3 m s-1. Determine se o fluxo de cada fluido é laminar ou turbulento. (As propriedades
físicas do leite e do óleo de colza são aparentadas na Tabela 1.2.)
Solução do Problema-exemplo 1.5
Pela Tabela 1.2, para o leite, μ = 2,10 x 10-3 N s m-2 e ρ = 1.030 kg m-3. Pela Equação 1.9,
Re =
Portanto,
Re =
= 73.571
Logo, o fluxo é turbulento (porque Re é maior que 4.000).
Para o óleo de colza, pela Tabela 1.2, μ = 118 x 10-3 N s m-2 e ρ = 900 kg m-3. Portanto
Re =
= 1.144
Logo, o fluxo é laminar (porque Re é menor que 2.100).
Dvρ
μ
0,05 x 3 x 1.030
2,1 x 10-3
0,05 x 3 x 900
118 x 10-3
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 41
1.3.1 Fluxo de fluidos através de leito
fluidizado
Quando o ar passa de baixo para cima atra-
vés de um leito de alimentos, as partículas cri-
am uma resistência ao fluxo de ar e reduzem a
área disponível para o fluxo através do leito.
Com o aumento da velocidade do ar, atinge-se
um ponto no qual o peso do alimento é balan-
ceado pela força do ar, e o leito torna-se
fluidizado (p. ex., secagem em leito fluidizado
[Capítulo 15]). Se a velocidade é aumentada
ainda mais, o leito torna-se mais aberto (o volu-
me vazio aumenta), até que, eventualmente, as
partículas são transportadas na corrente de flu-
xo (p. ex., separação [Capítulo 3]), secagem
[Capítulo 15] ou transporte pneumáticos [Ca-
pítulo 26]). A velocidade do ar necessária para
atingir a fluidização de partículas esféricas é
calculada utilizando:
onde vf (m s-1) = velocidade de fluidização, ρs
(kg m-3) = densidade das partículas sólidas, ρ
(kg m-3) = densidade do fluido, g (m s-2) =
aceleração da gravidade, μ (N s m-2) = viscosi-
dade do fluido, d (m) = diâmetro das partícu-
las, ε = volume vazio do leito.
Fórmulas para alimentosde outras formas
são descritas por Kunii e Levenspiel (1969). A
velocidade mínima do ar necessária para trans-
portar partículas é encontrada utilizando:
vf =
(ρs – ρ) g
μ
d2 ε3
180 (1 – ∈) 1.10
onde ve (m s-1) = velocidade mínima do ar e Cd
(= 0,44 para Re = 500 – 200.000) = coeficien-
te de arraste.
ve =
4d (ρs – ρ)
3Cd ρ
Problema-exemplo 1.6
Ervilhas com um diâmetro médio de 6 mm e densidade de 880 kg m-3 são secas em um secador de leito
fluidizado (Capítulo 15). O volume vazio mínimo é 0,4 e a área transversal do leito é 0,25 m2. Calcule a velocida-
de mínima do ar necessária para fluidizar o leito se a densidade do ar for 0,96 kg m-3 e a viscosidade do ar é 2,15
x 10-5 N s m-2.
Solução para o Problema-exemplo 1.6
Da Equação 1.10,
vf =
= 8,5 m s-1
(880 – 0,96) 9,81
2,15 x 10-5
1.11
1.4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR
A maioria das operações unitárias no
processamento de alimentos envolve a transfe-
rência de calor do alimento ou para ele. Exis-
tem três formas nas quais o calor pode ser trans-
ferido: por radiação, por condução e por
convecção. A radiação, descrita em detalhes no
Capítulo 18, é a transferência de calor por on-
das eletromagnéticas (veja Capítulo 18, Figura
18.1), por exemplo, em um grill elétrico. A con-
dução é o movimento de calor pela transferên-
cia direta de energia molecular dentro dos sóli-
dos (p. ex., através de recipientes de metal ou
alimentos sólidos). A convecção é a transferên-
cia de calor por grupos de moléculas que se mo-
vem como resultado de diferenças na densida-
de (p. ex., em ar aquecido) ou como resultado
da agitação (p. ex., em líquidos agitados). Na
maioria das aplicações, os três tipos de transfe-
rência de calor ocorrem simultaneamente, mas
um tipo pode ser mais importante que os de-
mais em algumas aplicações. Mais detalhes são
fornecidos por Hayhurst (1997).
(0,006)2 (0,4)3
180 (1-0,4)
42 P. J. FELLOWS
1.4.1 Balanços de energia
Em um balanço de energia, “a quantida-
de de calor ou energia mecânica entrando em
um processo = energia total saindo com os pro-
dutos e resíduos + energia armazenada + ener-
gia perdida para o ambiente”. Se as perdas de
calor são minimizadas, as perdas de energia
para o ambiente podem ser ignoradas para so-
luções aproximadas no cálculo, por exemplo,
da quantidade de vapor, ar quente ou refrige-
rante necessária. Para soluções mais precisas,
devem ser feitas compensações para as perdas
de calor.
1.4.2 Mecanismos da transferência
de calor
A transferência de calor estacionária ocor-
re quando existe uma diferença de temperatu-
ra constante entre dois materiais. A quantida-
de de calor entrando em um material é igual à
quantidade de calor saindo, e não há mudança
de temperatura do material. Isso acontece, por
exemplo, quando o calor é transferido através
das paredes de uma câmara fria, se a tempera-
tura da câmara e do ambiente são constantes
(Capítulo 19), e em processos contínuos, após
a estabilização das condições de operação. No
entanto, na maioria das aplicações de proces-
samento de alimentos, a temperatura do ali-
mento e/ou do meio de aquecimento ou
resfriamento está mudando constantemente, e
a transferência de calor não-estacionária é a
mais freqüente. Os cálculos da transferência
de calor sob essas condições são extremamen-
te complicados, mas são simplificados por uma
série de considerações e pelo uso de tabelas e
modelos computacionais para alcançar solu-
ções aproximadas (Toledo, 1999).
Condução estacionária
A taxa de calor transferida por condução
é determinada pela diferença de temperatura
entre o alimento e o meio de aquecimento ou
resfriamento e a resistência total à transferên-
cia de calor. A resistência à transferência de
calor é expressa como a condutância do mate-
rial ou, mais comumente, como sua recíproca,
que é denominada de condutividade térmica.
As condutividades térmicas de alguns materiais
encontrados no processamento de alimentos
são mostradas nas Tabelas 1.2 e 1.5.
Sob condições estacionárias, a taxa de
transferência de calor é calculada utilizando:
onde Q (J s-1) = taxa de transferência de calor, k
(J m-1 s-1 K-1 ou W m-1 K-1) = condutividade tér-
mica, A (m-2) = área superficial, θ1-θ2 (ºC ou K)
= diferença de temperatura e x (m) = espessura
do material. A razão (θ1-θ2)/x também é conhe-
cida como gradiente de temperatura.
Apesar de, por exemplo, o aço inoxidável
conduzir 10 vezes menos calor do que o alumí-
nio (Tabela 1.5), a diferença é pequena compara-
da com a baixa condutividade térmica dos alimen-
tos (20 a 30 vezes menor do que a do aço) e não
limita a taxa de transferência de calor. O aço ino-
xidável é muito menos reativo que qualquer ou-
tro metal, particularmente em relação a alimen-
tos ácidos, e é, por essa razão, usado na maioria
dos equipamentos de processamento que entram
em contato com o alimento.
A condutividade térmica dos alimentos é
influenciada por uma série de fatores relaciona-
dos com a natureza do alimento (p. ex., estrutu-
ra da célula, quantidade de ar preso entre as cé-
lulas e teor de umidade) e com a temperatura e
a pressão do ambiente. A redução do teor de
umidade causa uma diminuição substancial na
condutividade térmica, o que tem implicações
importantes nas operações unitárias envolvendo
a condução de calor pelo alimento para a remo-
ção de água (p. ex., na secagem [Capítulo 15],
na fritura [Capítulo 17] e na liofilização [Capítu-
lo 22]). Na liofilização, a condutividade térmi-
ca do alimento também é influenciada pela
redução da pressão atmosférica. O gelo possui
uma condutividade térmica maior do que a água,
o que é importante na determinação da taxa de
congelamento e descongelamento (Capítulo 21).
(Um problema-exemplo indicando a importân-
cia da condutividade térmica é mostrado no Ca-
pítulo 17.)
Q =
kA (θ1 – θ2)
x
1.12
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 43
TABELA 1.5 Condutividade térmica de alguns alimentos e outros materiais
Condutividade térmica Temperatura da medida
Tipo de material (W m-1 K-1) (°C)
Materiais de construção
Alumínio 220 0
Cobre 388 0
Aço inoxidável 21 20
Outros metais 45-400 0
Tijolo 0,69 20
Concreto 0,87 20
Alimentos
Azeite de oliva a 0,17 20
Leite integral a 0,56 20
Alimentos liofilizados 0,01-0,04 0
Carne congelada b 1,30 –10
Porco (magro) b 0,48 3,8
Bacalhau congelado 1,66 –10
Suco de maçã 0,56 20
Laranja 0,41 0-15
Vagens 0,80 –12,1
Couve-flor 0,80 –6,6
Ovo 0,96 –8
Gelo 2,25 0
Água a 0,57 0
Materiais de embalagem
Cartolina 0,07 20
Vidro 0,52 20
Polietileno 0,55 20
Cloreto de polivinila (PVC) 0,29 20
Materiais de isolamento
Espuma de poliestireno 0,036 0
Espuma de poliuretano 0,026 0
Outros tipos 0,026-0,052 30
a Presumindo que correntes de convecção estejam ausentes.
b Fluxo de calor paralelo às fibras.
De Earle (1983), Lewis (1978) e Woodams e Nowrey (1968).
Condução não-estacionária
Durante o processamento, a temperatura
em um determinado ponto dentro do alimen-
to depende da taxa de aquecimento ou
resfriamento e da posição no alimento. Portan-
to, a temperatura altera-se continuamente. Os
fatores que influenciam as mudanças de tem-
peratura são:
• a temperatura do meio de aquecimen-
to;
• a condutividade térmica do alimento; e
• o calor específico do alimento.
Exemplos de calor específico de alimen-
tos são dados nas Tabelas 1.2 e 1.6. A difusivi-
dade térmica está relacionada com a conduti-
vidade térmica, com o calor específico e com a
densidade de um alimento por:
a =
k
ρc
onde a (m2 s-1) = difusividade térmica, ρ (kg
m-3) = densidade, c (J kg-1 K-1) = capacidade
térmica específica e k (W m-1 K-1) = conduti-
vidade térmica.
1.13
44 P. J. FELLOWS
A equação básica para a transferência de
calor não-estacionária em uma única direção
(x) é:
como exemplos misturadores (Capítulo 5), se-
cadoresde leito fluidizado (Capítulo 15), con-
geladores com jato de ar (air blast) (Capítulo
21) e líquidos bombeados através de trocado-
res de calor (Capítulos 11 a 13).
Quando líquidos ou gases são usados como
meio de aquecimento ou resfriamento, a taxa
de transferência de calor do fluido para a su-
perfície do alimento é encontrada utilizando:
TABELA 1.6 Calor específico de alguns alimentos e outros materiais
Alimento/ material Calor específico (kJ kg-1 K-1) Temperatura (°C)
Alumínio 0,89 20
Maçãs 3,59 Ambiente
Maçãs 1,88 Congelamento
Bacalhau 3,76 Ambiente
Bacalhau 2,05 Congelamento
Cobre 0,38 20
Gelo 2,04 0
Cordeiro 2,80 Ambiente
Cordeiro 1,25 Congelamento
Batatas 3,43 Ambiente
Batatas 1,80 Congelamento
Aço inoxidável 0,46 20
Água 4,18 15
Vapor d’água 20,5 100
Adaptada de dados de Peleg e Bagley (1983), Jowitt et al. (1983) e Polley et al. (1980).
onde dθ/dt = alteração da temperatura com o
tempo.
Exemplos de soluções para essa equação
para formas simples (p. ex., uma fatia, cilindro
ou esfera) são descritos por Earle (1983), Jackson
e Lamb (1981) e Loncin e Merson (1979).
Convecção
Quando um fluido tem sua temperatura
alterada, as modificações resultantes na den-
sidade estabelecem correntes naturais de
convecção. Exemplos incluem evaporadores de
circulação natural (Capítulo 13), movimento
do ar em freezers (Capítulo 21) e movimento
de líquidos dentro de latas durante a esterili-
zação (Capítulo 12). A convecção forçada acon-
tece quando um misturador ou ventilador é
utilizado para agitar o fluido. Isso reduz a es-
pessura do filme limite para produzir taxas mais
altas de transferência de calor e uma redistri-
buição mais rápida da temperatura. Conse-
qüentemente, a convecção forçada é mais
comumente empregada que a convecção na-
tural no processamento de alimentos, tendo
dθ
dt
=
k
ρc
d2 θ
dx 2
1.14
onde Q (J s-1) = taxa de transferência de calor, A
(m2) = área superficial, θs (K) = temperatura da
superfície, θb (K) = temperatura no seio do flui-
do e hs (W m-2 K-1) = coeficiente de transferên-
cia de calor da superfície (ou filme).
O coeficiente de transferência de calor super-
ficial é a medida da resistência ao fluxo de calor
causada pelo filme limite, e é, portanto, equiva-
lente ao termo k/x na equação da condução
(Equação 1.12) (Polley et al., 1980). Ele é maior
no fluxo turbulento que no laminar. Valores típi-
cos de hs são apresentados na Tabela 1.7.
Esses dados indicam que a transferência
de calor pelo ar é menor do que através de lí-
quidos, e taxas de transferência maiores são
obtidas por ar em movimento quando compa-
radas com ar parado. Trocadores de calor mai-
ores são, portanto, necessários quando o ar é
Q = hsA (θb – θs) 1.15
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 45
utilizado para aquecimento (Capítulos 15 e 16)
ou resfriamento (Capítulos 19 e 21) compara-
dos àqueles necessários quando se usam líqui-
dos. O vapor condensante produz taxas de trans-
ferência de calor maiores do que água quente
na mesma temperatura, e a presença de ar no
vapor reduz a transferência de calor. Isso tem
importantes implicações no enlatamento (Ca-
pítulo 12), uma vez que qualquer ar presente
no vapor pode diminuir a temperatura e conse-
qüentemente diminuir a quantidade de calor
recebida pelo alimento. Tanto termômetros
como medidores de pressão são necessários para
verificar se o vapor está saturado.
O coeficiente de troca térmica superficial
está relacionado com as propriedades físicas
de um fluido (p. ex., densidade, viscosidade,
calor específico), a gravidade (que causa a cir-
culação devido às mudanças de densidade), o
gradiente de temperatura e o comprimento ou
diâmetro do recipiente sob investigação. As
fórmulas que relacionam esses fatores são ex-
pressas como números adimensionais (Apên-
dice D) da seguinte forma:
onde hc (W m-2 K-1) = coeficiente de transferên-
cia de calor por convecção na interface sólido-
líquido, D (m) = dimensão característica (com-
primento ou diâmetro), k (W m-1 K-1) = conduti-
vidade térmica do fluido, cp (J kg-1 K-1) = calor
específico a pressão constante, ρ (kg m-3) = den-
sidade, μ (N s m–2) = viscosidade, g (m s-2) =
aceleração da gravidade, β (m m-1 K-1) = coefi-
ciente de expansibilidade térmica, Δθ (K) = di-
ferença de temperatura e v (m s-1) = velocidade.
Para o fluxo laminar através de canos,
TABELA 1.7 Valores de coeficientes de transferência de calor superficial
Coeficiente de transferência
de calor superficial hs
(W m-2 K-1) Aplicações típicas
Líquidos ferventes 2.400 - 60.000 Evaporação
Vapor saturado condensante 12.000 Enlatamento, evaporação
Vapor condensante
Com 3% de ar 3.500 Processamento térmico
Com 6% de ar 1.200
Amônia condensante 6.000 Congelamento, resfriamento
Líquido fluindo em canos
Baixa viscosidade 1.200 - 6.000 Pasteurização
Alta viscosidade 120 - 1.200 Evaporação
Ar em movimento (3 m s-1) 30 Congelamento, cozimento
Ar parado 6 Câmara fria
Adaptada de Loncin e Merson (1979) e Earle (1983).
Número de Nusselt Nu =
Número de Prandtl Pr =
Número de Grashof Gr =
hcD
k
cp μ
k
D3 ρ
2gβΔθ
μ2
1.16
1.17
1.18
onde L (m) = comprimento do cano, quando
Re Pr D/L > 120 e todas as propriedades físi-
cas são medidas na temperatura média da
massa de fluido.
Para o fluxo turbulento através de canos,
onde n = 0,4 para aquecimento ou n = 0,3
para resfriamento. Quando Re > 10.000, a vis-
cosidade é medida na temperatura média do
filme e as outras propriedades são medidas na
temperatura média da massa de fluido.
O número de Grashof é utilizado para a
convecção natural, quando não existe turbu-
lência no fluido. Fórmulas para outras condi-
ções de fluxo e diferentes vasos são descritas
por Loncin e Merson (1979), Jackson e Lamb
(1981) e Earle (1983).
Nu = 0,023 (Re)0,8 (Pr)n 1.20
Nu = 1,62 (Re Pr )0,33D
L 1.19
46 P. J. FELLOWS
Problema-exemplo 1.7
O leite integral é resfriado em um trocador de calor tubular de 30 a 10°C, com água a 1°C. O diâmetro do tubo
é 5 cm, e a velocidade do fluxo do leite é 1,0 m s-1. Calcule o coeficiente de transferência de calor para o leite
utilizando as propriedades físicas descritas na Tabela 1.2.
Solução para o Problema-exemplo 1.7
Temperatura média da massa =
= 20°C
Da Tabela 1.2, ρ = 1.030 kg m-3, c = 3,9 kJ kg-1 °K-1
E
k = 0,56 W m-2 °K-1.
Se Re > 10.000, a viscosidade deve ser medida na temperatura média.
Temperatura média do filme =
= 10,5°C
Para leite a 10,5°C , μ = 2,8 x 10-3 N s m-2. Da Equação 1.9,
Re =
=
= 18.393
Da Equação 1.17,
Pr =
=
= 19,5
Das Equações 1.16 e 1.20,
Nu =
= 0,023 (Re)0,8 (Pr)0,33
Portanto,
hc = 0,023 (Re)
0,8 (Pr)0,33.
= 0,023 (18.393)0,8 (19,5)0,33
= 1.768 W m-2 °K-1
30 + 10
2
1 + (30 + 10)
2
1
2
Dvρ
μ
0,05 x 1,0 x 1.030
2,8 x 10-3
cp μ
k
(3,9 x 103) (2,8 x 10-3)
0,56
hcD
k
0,56
 0,05
k
D
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 47
A maioria dos casos de transferência de
calor no processamento de alimentos envolve a
transferência através de diferentes materiais.
Como exemplo, um trocador de calor tubular
de um fluido quente, através da parede de um
recipiente para um segundo fluido é mostrada
na Figura 1.8.
A diferença de temperatura global é en-
contrada utilizando:
As temperaturas desconhecidas da parede
θ2 e θ3 não são necessárias, e todos os fatores
para resolver a equação podem ser medidos.
O somatório das resistências ao fluxo de
calor é denominado coeficiente global de trans-
ferência de calor (CGTT) U, e a taxa da transfe-
rência de calor pode ser expressa como:
θa – θb =
Q
A
1
ha
x
k
+
1
hb
1.21
TABELA 1.8 Coeficiente global de troca térmica (CGTT) no processamento de alimentos
Fluidos de transferência de calor ExemploCGTT (W m-2 K-1)
Água quente – ar Aquecedor a ar 10-50
Líquido viscoso – água quente Vaso encamisado 100
Líquido viscoso – água quente Vaso encamisado agitado 500
Líquido viscoso – vapor Evaporador 500
Líquido não-viscoso – vapor Evaporador 1.000-3.000
Gás fluido – água Caldeira 5-50
Amônia evaporante – água Unidade de refrigeração de água 500
Adaptada de Lewis (1990).
Q = UA (θa – θb) 1.22
O CGTT é um termo importante que é uti-
lizado, por exemplo, para indicar a efetividade
do aquecimento ou do resfriamento em dife-
rentes tipos de equipamentos de processo. Al-
guns exemplos são mostrados na Tabela 1.8.
FIGURA 1.8 Mudanças de temperatura de um líquido quente para um líquido frio através das paredes
de um recipiente.
Filmes limites
Te
m
pe
ra
tu
ra Metal
Quente Frio
Distância
θa θ1
θ2
θ3
θb
( )
48 P. J. FELLOWS
Os líquidos podem fluir na mesma direção
ou em direções opostas em um trocador de calor.
O fluxo contracorrente de líquidos (Figura 1.9)
tem uma eficiência de transferência térmica maior
do que o paralelo e é, por essa razão, amplamen-
te empregado em trocadores de calor (para exem-
plos, veja Capítulos 10 a 21). No entanto, a dife-
rença de temperatura varia em diferentes pon-
tos do trocador e é necessário usar uma média
logarítmica das diferenças de temperatura nos
cálculos (Equação 1.23):
onde θ1 é maior do que θ2.
Problemas-exemplo relacionados a esse
aspecto são mostrados nos Capítulos 11, 13 e 15.
O tempo de aquecimento no proces-
samento em batelada é encontrado utilizando:
Δθm =
Δθ1 – Δθ2
In (Δθ1 / Δθ2)
1.23
t =
mc
UA
ln
θh – θi
θh – θf( ) 1.24
onde m (kg) = massa, c (J kg-1 ºK-1) = capaci-
dade de calor específica, θn (ºC) = temperatura
do meio de aquecimento, θi (ºC) = temperatu-
ra inicial θf (ºC) = temperatura final, A (m2) =
área superficial e U (W m-2 K-1) = CGTT.
Problema-exemplo 1.8
No trocador de calor em contracorrente mostrado na Figura 1.9, o leite é resfriado de 73 a 38°C a uma taxa de
2.500 kg h-1 utilizando água a 15°C, que deixa o trocador de calor a 40°C. A tubulação de 2,5 cm de diâmetro é
construída em aço inox de 3 mm de espessura; os coeficientes de troca térmica superficial são 1.200 W m-2 K-1
pelo lado do leite e 3.000 W m-2 K-1 pelo lado da água. Calcule o CGTT e o comprimento de cano necessário.
Solução do Problema-exemplo 1.8
Para encontrar o CGTT, a partir das Equações 1.21 e 1.22,
Portanto, o CGTT é
U = 769,2 W m-2 °K-1
Para encontrar o comprimento de cano necessário, procede-se da forma a seguir.
Das Equações 1.22 e 1.23,
Q = UAΔθm
E
=
= 27,8°C
1
U
=
1
ha
+
x
k
1
hb
+
=
1
1.200
+
3 x 10-3
21
+
1
3.000
= 1,3 x 10-3
Δθm =
Δθ1 – Δθ2
ln (Δθ1 – Δθ2)
(73 – 40) / (38 - 15)
ln[(73 – 40) / (38-15)]
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 49
FIGURA 1.9 Fluxos paralelo e de contracorrente em um trocador de calor.
Paralelo Contracorrente
θ1
θ2
θ2
θ1
θ2
θ1
θ2
Agora Q é o calor removido do leite que é igual mcp(θa-θb ). Da Tabela 1.2, cp = 3,9 kJ kg
-1 °K-1. Portanto,
Q = (3,9 x 103) (73 - 38)
= 9,48 x 104 J
Agora a área é
A =
=
= 4,4 m2
Além disso,
A = πDL
Portanto, o comprimento do tubo é
L =
= = 56 m
2.500
3.600
Q
UΔθm
9,48 x 104
769,2 x 27,8
A
πD
4,4
3,142 x 0,025
50 P. J. FELLOWS
Transferência de calor em estado
não-estacionário por condução e
convecção
Quando um pedaço sólido de alimento é
aquecido ou resfriado por um fluido, as resis-
tências à transferência de calor são o coefici-
ente de transferência de calor e a condutividade
térmica do alimento. Esses dois fatores são re-
lacionados pelo número de Biot Bi:
zando a Equação 1.24, empregando o coeficien-
te de transferência de calor do filme hs em vez
de U. No entanto, na maioria das aplicações a
condutividade térmica do alimento é o fator
limitante à taxa de transferência de calor (Bi >
0,2). Esses cálculos são complexos, e uma sé-
rie de gráficos está disponível para a resolução
das equações para alimentos de formas sim-
ples (Figura 1.10). Tais gráficos relacionam o
número de Biot (Bi) (Equação 1.25), o fator
temperatura (a fração da mudança de tempe-
ratura que permanece a ser atingida [Equação
1.26]) e o número de Fourier Fo (número
adimensional que relaciona a difusividade tér-
mica, o tamanho do pedaço e o tempo de aque-
cimento ou resfriamento [Equação 1.27]).
onde h (W m-2 K-1) = coeficiente de troca tér-
mica, δ = “meia dimensão” característica (p.
ex., raio de uma esfera ou cilindro, meia es-
pessura de uma fatia) e k (W m-1 K-1) =
condutividade térmica.
Em valores de Bi pequenos (menores que
0,2), o filme superficial é a principal resistência
ao fluxo de calor, e o tempo necessário para
aquecer o alimento sólido é encontrado utili-
Bi =
hδ
k
1.25
1.26
θh – θf
θh – θi
onde os subscritos h, f e i indicam, respectiva-
mente, o meio de aquecimento, o valor final e
o valor inicial.
FIGURA 1.10 Gráfico para a transferência de calor em estado não-estacionário: (a) esfera; (b) fatia; (c)
cilindro. (Conforme Henderson e Perry, 1955.)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
0,25 0,50 0,75 1,0
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
10,0
0,250,100
k
hr
k
hl
0,50
0,75
1,0 1,5
2,0
4,0
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
10,0
1,00,750,50
0,25
0,10
0k
hr
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
θ
H
 –
 θ
F
θ
H
 –
 θ
I
(a)
(b)
1,0(c)
k
cρ
t
δ 2
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 51
Exemplos de cálculo de estado não-
estacionário são mostrados adiante e no Capí-
tulo 19. Cálculos mais complexos são descri-Fo =
k
cρ
t
δ 2
1.27
Problema-exemplo 1.9
Ervilhas com um diâmetro médio de 6 mm são branqueadas para atingirem a temperatura de 85°C no centro. A
temperatura inicial das ervilhas é 15°C e a água de branqueamento está a 95°C. Calcule o tempo necessário,
considerando que o coeficiente de troca térmica é 1.200 W m-2 K-1 e que, para ervilhas, a condutividade térmica
é 0,35 W m-1 K-1, o calor específico é 3,3 kJ kg -1 K-1 e a densidade é 980 kg m-3.
Solução para o Problema-exemplo 1.9
Da Equação 1.25,
Bi =
=
= 10,3
Portanto,
 = 0,097
Da Equação 1.26,
θh - θf 95 – 85
θh - θi 95 – 15
= 0,125
Do gráfico para a esfera (Figura 1.10), Fo = 0,32. Da Equação 1.27,
Fo =
= 0,32
Portanto,
tempo t = 0,32
=
= 26,6s
hδ
k
1.200 (3 x 10-3)
0,35
k
hδ
=
k
cρ
t
δ 2
cρδ 2
k
0,32 (3,3 x 103) 980 (3 x 10-3)2
0,35
52 P. J. FELLOWS
tos por Lewis (1990), Earle (1983) e Jackson e
Lamb (1981).
1.4.3 Fontes de energia e métodos
de aplicação em alimentos
O custo de energia para aquecimento tem-
se tornado uma das principais considerações
na seleção dos métodos de processamento e,
ultimamente, no custo dos alimentos proces-
sados e na lucratividade da operação. Diferen-
tes combustíveis têm vantagens específicas e
limitações em termos de custo, segurança, ris-
co de contaminação do alimento, flexibilidade
de uso e custos de capital e de operação para o
equipamento de transferência de calor. As se-
guintes fontes de energia são utilizadas no
processamento de alimentos:
• Eletricidade
• Gás (natural ou gás liquefeito de pe-
tróleo)
• Óleo combustível
Combustíveis sólidos (antracita, carvão
mineral, lenha e carvão) são utilizados em pe-
quena escala. As vantagens e as limitações de
cada tipo de fonte de energia são mostradas
na Tabela 1.9.
Métodos de aquecimento direto
Nos métodos de aquecimento direto, o ca-
lor e os produtos da queima do combustível
estão em contato direto com o alimento. Exis-
te um riscoóbvio de contaminação do alimen-
to pelos odores ou pela queima incompleta,
razão pela qual somente gás e, em menor es-
cala, combustíveis líquidos são usados. Aplica-
ções incluem secadores de forno (Capítulo 15)
e fornos para assar (Capítulo 16). Esses méto-
dos diretos não devem ser confundidos com
injeção “direta” de vapor, na qual o vapor é
produzido em um local separado da planta de
processamento. A eletricidade não é um com-
bustível da mesma forma que os outros tipos
recém-descritos. Ela é gerada por turbinas a
vapor por um fluido primário (p. ex., carvão
mineral ou óleo combustível) ou por hidrelé-
tricas ou fissão nuclear. No entanto, a energia
elétrica também é usada diretamente no aque-
cimento dielétrico ou por microondas (Capí-
tulo 18).
Métodos indiretos
O resfriamento indireto de alimentos está
descrito nos Capítulos 19 e 21. Métodos de
aquecimento indiretos empregam um trocador
de calor para separar o alimento dos produtos
TABELA 1.9 Vantagens e limitações de diferentes fontes de energia para o processamento de alimentos
Combustível Combustível
Eletricidade Gás líquido sólido
Energia por unidade de massa ou volume Não aplicável Baixaa Altab Moderada a altac
Custo por kJ de energia Alto Baixo Baixo Baixo
Custo do equipamento de troca térmica Baixo Baixo Alto Alto
Eficiência do aquecimentod Alta Moderada a alta Moderada a baixa Baixa
Flexibilidade de uso Alta Alta Baixa Baixa
Perigo de fogo ou explosão Baixo Alto Baixo Baixo
Risco de contaminação do alimento Baixo Baixo Alto Alto
Custo de mão-de-obra e manuseio Baixo Baixo Baixo Alto
a O valor de aquecimento para o gás é 1,17 x 103 – 4,78 x 103 kJ kg-1.
b O valor de aquecimento para o óleo é 8,6 x 103 – 9,3 x 103 kJ kg-1.
c O valor de aquecimento para o carvão mineral é 5,26 x 103 – 6,7 x 103 kJ kg-1 e para a madeira é 3,8 x 103 – 5,26 x 103 kJ kg-1.
d A eficiência é definida como a quantidade de energia utilizada para aquecer o produto dividida pela quantidade de energia
ornecida.
Dados compilados de Farral (1979) e Whitmanm et al. (1981).
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 53
da combustão. Em sua forma mais simples, um
sistema indireto consiste de um combustível
queimando embaixo de uma placa de metal e
se aquecendo pela energia radiada da placa. O
tipo mais comum de sistema de aquecimento
indireto usado no processamento de alimen-
tos é vapor ou água quente gerada em um tro-
cador de calor (caldeira) afastado da área de
processamento. Um segundo trocador de ca-
lor transfere o calor do vapor para o alimento
sob condições controladas, ou o vapor é inje-
tado no alimento. Uma variação desse sistema
envolve um outro trocador de calor que trans-
fere calor do vapor para o ar a fim de secar
alimentos ou aquecê-los sob condições secas.
As vantagens do vapor para o aquecimento no
processo e a descrição dos equipamentos utili-
zados para a produção e manuseio de diferen-
tes tipos de vapor são descritas por Farall
(1979). As propriedades do vapor são discuti-
das por Brennan e colaboradores (1990) e
Toledo (1999) e as temperaturas do vapor
saturado são mostradas no Capítulo 12 (Tabe-
la 12.6).
O aquecimento elétrico indireto utiliza
aquecedores com resistências ou aquecedores
por infravermelho. Aquecedores com resistên-
cias são fios de níquel-cromo contidos em pla-
cas sólidas ou bobinas, que são conectadas às
paredes do recipiente em camisas flexíveis que
recobrem vasos ou em aquecedores de imersão,
que são mergulhados no alimento. Esses aque-
cedores são utilizados para aquecimento loca-
lizado ou intermitente. Aquecedores por infra-
vermelho estão descritos no Capítulo 18.
1.4.4 Conservação de energia
Uma pesquisa em indústrias de alimen-
tos na União Européia encontrou uma grande
variação no consumo de energia em diferentes
tipos de processamento; moinhos de trigo ti-
veram o menor gasto de energia (586 MJ por
tonelada de produto), e o processamento de
cacau e chocolate teve o mais alto (8.335 MJ
por tonelada de produto) (Whitmann et al.,
1981). Uma comparação dos gastos de ener-
gia em diferentes tipos de processamento de
batatas é mostrada na Tabela 1.10.
Em todos os tipos de processamento de ali-
mentos, a maior parte da energia (58%; varia-
ção de 40 a 80%) é utilizada para o proces-
samento propriamente dito, porém quantidades
significativas são também empregadas para o
empacotamento (11%; variação de 15 a 40%),
transporte (12%; variação de 0,56 a 40%), água
de limpeza (15%) e armazenagem (até 85% do
consumo geral de energia para alimentos conge-
lados). Os combustíveis para caldeira contam
como 8,6 a 97,2% do consumo total da fábrica,
porém a utilização das caldeiras tem uma média
TABELA 1.10 Consumo comparativo de energia no processamento de batatas
Consumo de energia (MJ t-1)
Secagem Pouches
com ar quente Liofilizada Enlatada autoclaváveis Congelada
Processamento 8 42 6 4 5
Embalagem 1 2 14 7 7
Armazenagem 0,1 0,1 0,1 0,1 32
(Casa) 0 0 0 0 (24)
Transporte 2 2 8 8 8
Total 11 46 28 19 52
Apresentada em Kelford (1982).
54 P. J. FELLOWS
de 45%, devido à prática de mantê-las em aque-
cimento baixo durante os períodos de baixa taxa
de produção (p. ex., turnos vesperais e notur-
nos). No entanto, em média, apenas metade do
condensado é retornada à caldeira, e o calor con-
tido nele é desperdiçado. Aproximadamente 40%
do calor perdido nas fábricas estão contidos nos
vapores e gases e outros 10 a 20% são perdidos
em água quente (Whitman et al., 1981).
Fica claro a partir desses e outros dados
(p. ex., Kefford, 1982) que, potencialmente, a
maior economia de energia no processamento
de alimentos está associada à operação da cal-
deira, ao fornecimento de vapor ou ar quente
e à reutilização de calor dissipado. Uma audi-
toria de energia é usada para identificar áreas
específicas e equipamentos na fábrica onde se
pode efetuar uma economia de energia
(Boardman, 1986). Em resumo, a operação de
caldeiras pode ser melhorada por:
• retorno do condensado como água de
alimentação;
• preaquecimento de ar para a queima
de combustível;
• isolamento da caldeira; e
• recuperação de calor dos vapores.
O controle computadorizado da operação
de caldeiras é descrito por Wells e Swientek
(1983). A economia de energia no fornecimen-
to de vapor para a área de processamento pode
ser alcançada por:
• isolamento apropriado de tubulações
de vapor e água quente;
• minimização de vazamentos de vapor; e
• encaixe de purgas de vapor.
Equipamentos de processamento são pro-
jetados com o propósito de economizar ener-
gia. Exemplos incluem regeneradores de calor
em trocadores de calor (Delashmit et al., 1983)
(exemplos nos Capítulos 10, 11, 16 e 17), sis-
temas de múltiplo efeito ou recompressão do
vapor (Capítulo 13) e descongelamento auto-
mático e isolamento adequado de equipamen-
tos de congelamento (Capítulos 19 a 21). O
controle por microprocessadores de equipa-
mentos de processo (Capítulo 2) é usado am-
plamente para reduzir o consumo de energia.
A recuperação de calor do ar de secagem é mais
difícil do que de vapores, porque o ar não é
recompressível. No entanto, alguns projetos de
trocadores de calor são utilizados para recu-
perar o calor perdido do ar ou de gases (p. ex.,
a “polia térmica” na Figura 1.11).
Aplicações comerciais desse equipamen-
to são descritas no Capítulo 15 (fornos de as-
sar) e no Capítulo 16 (fritadores). Se a umida-
de do ar é reduzida, ele é reaquecido com mais
economia. A “polia rotatória” (Figura 1.12) e
as bombas de calor são exemplos de equipa-
mentos desumidificadores. Bombas de calor são
similares a plantas de refrigeração (veja Capí-
tulo 19, Figura 19.1) mas operam pela remo-
ção de calor de uma fonte de baixa temperatu-
FIGURA 1.11 Polia térmica. (Cortesia do Electricity Council.)
Duto de exaustão
Duto de fornecimento
Polia térmica
Entrada dear fresco
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 55
ra, utilizando-a pra aquecer ar ou água. A apli-
cação de bombas de calor para a secagem de
confeitos sob baixa temperatura é descrita por
Anon. (1983a, b, c). O uso de lâminas de ar
para a secagem de embalagens é descrita por
Anon (1983d) e Beevers (1985). Outras técni-
cas de economia de energia durante a desidra-
tação são descritas por Senhaji e Bimbenet
(1984), Flink (1977) e Green (1982).
1.4.5 Efeitos do calor nos microrganismos
O efeito preservativo do processamento
com calor é devido à desnaturação de proteí-
nas que destroem a atividade enzimática e os
metabolismos controlados por enzimas nos mi-
crorganismos. A taxa de destruição é uma rea-
ção de primeira ordem; isto é, quando o ali-
mento é aquecido a uma temperatura alta o
suficiente para destruir microrganismos
contaminantes, a mesma porcentagem morre
em um determinado intervalo de tempo, inde-
pendentemente do número presente no come-
ço. Isso é conhecido como ordem logarítmica
de morte e é descrito pela curva da taxa de
letalidade (Figura 1.13).
O tempo necessário para destruir 90% dos
microrganismos (reduzir seu número por um
fator de 10) é referido como tempo de redução
decimal ou valor D (5min na Figura 1.13). Va-
lores de D variam para diferentes espécies
microbianas (Tabela 1.11), e um maior valor
de D indica maior resistência ao calor.
Existem duas implicações importantes
que surgem com o tempo de redução deci-
mal: em primeiro lugar, quanto maior for o
número de microrganismos presentes na ma-
téria-prima, mais tempo leva-se para reduzi-
los ao nível especificado. Em operações co-
merciais, o número de microrganismos varia
em cada batelada de matéria-prima, mas é
difícil recalcular o tempo de processamento
para cada batelada de alimento. Portanto,
utiliza-se uma combinação temperatura-tem-
po definida para processar todas as bateladas
de um certo produto, e procedimentos ade-
quados de preparação (Capítulo 3) são utili-
zados para garantir que a matéria-prima te-
nha uma qualidade microbiológica satisfatória
e uniforme. Em segundo lugar, como a des-
truição microbiana ocorre logaritmicamente,
em tese, é possível destruir todas as células
somente após um aquecimento por tempo in-
finito. Assim, o processamento objetiva redu-
zir o número de microrganismos sobreviven-
tes por uma quantidade predeterminada. Com
isso, surge o conceito de esterilidade comercial,
que é discutida mais profundamente nos Ca-
pítulos 10 a 12.
FIGURA 1.12 Polia rotatória. (Cortesia do Electricity Council.)
Vista do equipamento montado no te-
lhado da sala de condicionamento
Ar de processo
Ar seco
Ar úmido
Aquecedor
de ar
Ar de reativação
Detalhes da polia rotatória de Munters
56 P. J. FELLOWS
FIGURA 1.13 Curva da taxa de letalidade.
N
º 
de
 e
sp
or
os
 s
ob
re
vi
ve
nt
es
Tempo de aquecimento (min)
0 5 10 15
D
1000
100
10
1
TABELA 1.11 Propriedades térmicas de alguns componentes nutritivos e sensoriais dos alimentos em
relação à resistência térmica de enzimas e microrganismos
Faixa de
Componente Fonte pH z (°C) D121 (min) temperatura (°C)
Tiamina Purê de cenoura 5,9 25 158 109-149
Tiamina Purê de ervilha Natural 27 247 121-138
Tiamina Purê de cordeiro 6,2 25 120 109-149
Lisina Farinha de soja - 21 786 100-127
Clorofila a Espinafre 6,5 51 13,0 127-149
Clorofila a Espinafre Natural 45 34,1 100-130
Clorofila b Espinafre 5,5 79 14,7 127-149
Clorofila b Espinafre Natural 59 48 100-130
Antocianina Suco de uva Natural 23,2 17,8* 20-121
Betanina Suco de beterraba 5,0 58,9 46,6* 50-100
Carotenóides Páprica Natural 18,9 0,038* 52-65
Peroxidase Ervilhas Natural 37,2 3,0 110-138
Peroxidase Várias – 28-44 – –
Clostridium botulinum, Vários >4,5 5,5-10 0,1-0,3* 104
esporos tipos A + B
Bacillus stearothermophilus Vários >4,5 7-12 4,0-5,0 110+
* Valores de D em temperaturas diferentes de 121°C.
Adaptada de Felliciotti e Esselen (1957), Taira et al. (1966), Gupta et al. (1964), Ponting et al. (1960), von Elbe et al. (1974), Adams e
Yawger (1961), Esselen e Anderson (1956) e Stumbo (1973).
TECNOLOGIA DO PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS 57
A destruição dos microrganismos depen-
de da temperatura; as células morrem mais
rapidamente em temperaturas elevadas. Co-
tejando valores de D sob diferentes tempera-
turas, pode-se construir uma curva de tempo
de destruição térmica (TDT) (Figura 1.14). A
inclinação da curva de TDT é denominada
valor z e definida pelo número de graus
Celsius necessários para alterar 10 vezes o
tempo de redução decimal (10,5ºC na Figura
1.14). Os valores D e z são utilizados para
caracterizar a resistência térmica de um mi-
crorganismo e sua dependência da tempera-
tura, respectivamente.
Existe um grande número de fatores que
determina a resistência térmica dos microrga-
nismos, mas afirmações gerais sobre o efeito
de uma determinada variável na resistência
térmica nem sempre são possíveis. Os fatores
adiante são considerados importantes.
1. Tipo de microrganismo. Diferentes
espécies e variedades mostram am-
pla variação em sua resistência tér-
mica (Tabela 1.11). Os esporos são
muito mais resistentes do que as cé-
lulas vegetativas.
2. Condições de incubação durante o
crescimento de células ou a forma-
ção de esporos. Estas incluem:
a) temperatura (esporos produzidos
em temperaturas mais altas são
mais resistentes que os produzi-
dos em baixas temperaturas);
b) idade da cultura (o estágio de cres-
cimento das células vegetativas
afeta sua resistência térmica); e
c) o meio de cultura utilizado (p.
ex., sais minerais e ácidos graxos
influenciam a resistência térmi-
ca de esporos).
FIGURA 1.14 Curva TDT. A destruição microbiana é mais rápida em temperaturas mais elevadas (p.
ex, 100min a 102,5°C tem o mesmo efeito letal que 10min a 113°C).
1
Te
m
po
 d
e 
re
du
çã
o 
de
ci
m
al
 D
 (
m
in
)
Temperatura (°C)
90 100 110 120 130
Z
1000
100
10
58 P. J. FELLOWS
3. Condições durante o processamento tér-
mico. As condições importantes são:
a) o pH do alimento (bactérias pato-
gênicas e deteriorantes são ter-
micamente mais resistentes per-
to da neutralidade; mofos e le-
veduras têm maior capacidade
de tolerar condições mais ácidas,
mas são menos resistentes do que
esporos bacterianos ao calor);
b) a atividade de água do alimento
(Seção 1.5) influencia a resistên-
cia térmica das células vegeta-
tivas; além disso, o calor úmido
é mais efetivo do que o ar seco
para a destruição de esporos;
c) a composição do alimento (pro-
teínas, gorduras e altas concen-
trações de açúcar aumentam a
resistência térmica dos microrga-
nismos; a baixa concentração de
cloreto de sódio utilizada na
maioria dos produtos alimentí-
cios não possui um efeito signifi-
cativo; o estado físico do alimen-
to, particularmente a presença de
colóides, afeta a resistência tér-
mica das células vegetativas); e
d) as condições do meio de cresci-
mento e incubação utilizadas para
avaliar a recuperação de micror-
ganismos em estudos de resistên-
cia térmica afetam o número de
sobreviventes observado.
A maioria das enzimas possui valores de
D e z dentro de uma faixa similar à dos micror-
ganismos, sendo inativadas durante o proces-
samento térmico normal. No entanto, algumas
enzimas são muito resistentes ao calor. Isso é
importante sobretudo em alimentos ácidos, nos
quais elas podem não ter sido completamente
desnaturadas pelos tratamentos térmicos rela-
tivamente curtos em temperaturas mais baixas
necessários para a destruição microbiana. Os
fatores que influenciam a resistência térmica
de enzimas são similares aos descritos para os
microrganismos e estão discutidos em detalhe
em Whitaker (1972).
A resistência térmica de enzimas e/ou mi-
crorganismos