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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
E
SCOLA DE ENGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
P
ROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Estudo da Pasteurização de Suco de
Laranja Utilizando Ultrafiltração
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Marina da Silveira Gomes
Porto Alegre
2006
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
E
SCOLA DE ENGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
P
ROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Estudo da Pasteurização de Suco de
Laranja Utilizando Ultrafiltração
Marina da Silveira Gomes
Dissertação de Mestrado apresentada como
requisito parcial para obtenção do título de
Mestre em Engenharia
Área de concentração: Pesquisa e
Desenvolvimento de Processos.
Orientador:
Prof.
a
Dr.
a
Isabel Cristina Tessaro
Co-orientador:
Prof.
a
Dr.
a
Lígia Damasceno Ferreira Marczak
Porto Alegre
2006
ads:
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
E
SCOLA DE ENGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
P
ROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação Estudo da
Pasteurização de Suco de Laranja Utilizando Ultrafiltração, elaborada por Marina
da Silveira Gomes, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia.
Comissão Examinadora:
Prof.
a
Dr.
a
Keiko Wada
Prof.
o
Dr.
o
Caciano Pelayo Zapata Noreña
Prof.
a
Dr.
a
Sueli Teresinha Van Der Sand
“Acreditar em algo e não o viver é desonesto”
Mahatma Gandhi
v
Agradecimentos
Às professoras Isabel Cristina Tessaro e Lígia Damasceno Ferreira Marczak
pela confiança dada, pela orientação, apoio e incentivo para que este trabalho fosse
realizado.
À Empresa Parceira – Sucos Petry - por ter doado o suco utilizado neste
trabalho.
À Sirley Secchi por todo o suporte dado na parte experimental deste trabalho.
Ao Maurício Kipper, por sua orientação e ajuda.
À Ana Luisa Rizzatti, por toda a ajuda dada nos experimentos, mesmo não
sendo, efetivamente, minha bolsista.
Ao Marcus Rutsatz e Carolina Cameranesi pelas horas de estudo.
À todos os amigos conquistados durante o mestrado, os quais ficarão para
sempre em minha memória.
À Comissão Examinadora pelo tempo e atenção dada ao trabalho.
À minha irmã, Natália, e aos amigos de sempre, que mesmo a distância,
também me apoiaram para seguir em frente.
Ao Daniel de Ávila, por estar sempre ao meu lado.
Aos Meus Pais, por acreditarem em mim, pelo amor e apoio incondicional
dados para que este sonho se concretizasse.
vi
Resumo
Com o crescente apelo dos consumidores por alimentos minimamente processados, o
consumo de sucos tem aumentado significativamente, sendo o suco de laranja
pasteurizado e refrigerado um dos mais consumidos pelos brasileiros. No entanto, o
processo de pasteurização, mesmo utilizando altas temperaturas por curto período de
tempo, altera ligeiramente as características organolépticas do suco, resultando em
um produto com sabor diferente ao do suco fresco. Atualmente, uma das alternativas
é a utilização de processos de separação por membranas (PSM) na produção de suco
de laranja, especificamente na etapa de pasteurização, pois os PSM podem operar em
baixas temperaturas. Nestes processos é comum a utilização de hidrólise enzimática
como pré-tratamento, tendo como objetivo diminuir a viscosidade do suco,
possibilitando uma melhora no fluxo permeado e nas demais condições do processo.
Tendo em vista a necessidade de inovação no ramo de sucos, este trabalho estuda a
possibilidade de integração de processos de separação por membranas com o
processo de pasteurização convencional. Analisa, primeiramente, dois compostos
enzimáticos comerciais com o objetivo de verificar qual o mais adequado para a
utilização no pré-tratamento de suco de laranja. Para esta análise, a viscosidade do
suco foi medida antes e depois das hidrólises em diferentes tempos e temperaturas,
assim como a acidez, °Brix e pH. Além disto, foram realizados testes de
ultrafiltração em uma unidade de bancada com uma membrana polimérica comercial
de massa molar de corte entre 40 - 50 kDa, nas seguintes condições de operação:
pressão transmembrana de 150 kPa, velocidade de escoamento de 7,47 m.s
-1
e
temperatura de 25°C. Os resultados indicam que o composto enzimático que mais se
adequou ao pré-tratamento proposto foi a Pectinex Ultra SP-L, a uma temperatura de
30°C e tempo de 30 minutos. Na ultrafiltração do suco de laranja foi observado um
comportamento de queda do fluxo permeado ao longo do tempo tanto na filtração de
suco de laranja hidrolisado com Pectinex Ultra SP-L, quanto na filtração do suco sem
hidrólise. Com os resultados das análises microbiológicas, não pôde-se afirmar que o
suco reconstituído (90% de suco pasteurizado + 10% de suco permeado) apresentou
maior vida útil comparado ao suco pasteurizado (100% pasteurizado).
vii
Abstract
With the growing appeal of consumers for minimal processed food, the consumption
of juices has been increasing significantly, being the pasteurized and refrigerated
orange juice one of the most consumed by the Brazilians. However, the
pasteurization process, even using high temperatures for short period of time, it
lightly alters the organoleptics characteristics of the juice, resulting in a product with
different flavor compared to the fresh juice. Nowadays, one of the alternatives is the
use of membrane separation processes (MSP) in the production of orange juice,
specifically in the pasteurization stage, because MPS can operate under low
temperatures. In these processes it is common to use enzymatic hydrolises as pre-
treatment, lookink for a decrease of the juice viscosity, improving the permeated
flow and the other process conditions. Due to the need of innovation in the juice
market, this work studies the possibility of integrate membrane separation processes
with conventional process of pasteurization. It analyzes, firstly, two commercial
enzymes with the objective of verifying which one will be the most indicated for the
use in the pre-treatment of orange juice. For this analysis, the juice viscosity was
measured, before and after the hydrolises, in different times and temperatures, as
well as the acidity, °Brix and pH. Besides, ultrafiltration tests were accomplished in
an unit with a commercial polymeric membrane with mass court molar among 40 -
50 kDa, in the following operation conditions: transmembrane pressure of 150 kPa,
flow speed of 7,47 m.s-1 and temperature of 25°C. The results indicate that the
enzymatic composition that most fitted in was Pectinex Ultra SP-L, at a temperature
of 30°C and time of 30 minutes. In the ultrafiltration process of the orange juice a
decreasing behavior of the permeated flow along the time was observed for both
juices (with and without hydrolises). With the results of the microbiologyc analyses,
it could not be possible to affirm that the reconstituted juice (90% of pasteurized
juice + 10% of permeated juice) present larger useful life compared to the
pasteurized juice (100% pasteurized).
viii
Sumário
Introdução ........................................................................................................... 1
Fundamentos Teóricos e Revisão Bibliográfica .............................................. 3
2.1 Suco de laranja ........................................................................................................ 3
2.1.1 Mercado ......................................................................................................... 5
2.1.2 Processamento do suco de laranja .................................................................. 6
2.2 Processos de separação por membranas ................................................................ 11
2.2.1 Membranas ................................................................................................... 15
2.2.2 Módulos de membranas ............................................................................... 17
2.2.3 Polarização por concentração e fouling ....................................................... 18
2.2.4 Limpeza das membranas .............................................................................. 20
2.3 Processos de Separação por Membranas no Processamento de Sucos ................. 21
2.3.1 Fouling no processamento de sucos por membranas ................................... 22
2.3.2 Pré-tratamento do suco ................................................................................. 23
2.3.3 Microbiologia do suco de laranja ................................................................. 27
Materiais e Métodos .......................................................................................... 30
3.1 Matéria-prima ........................................................................................................ 30
3.2 Reagentes e soluções ............................................................................................. 31
3.3 Membrana ............................................................................................................. 31
3.3.1 Análise da Membrana através de Microscopia Eletrônica de Varredura
(MEV) ................................................................................................................... 31
3.4 Equipamentos de Ultrafiltração e Pasteurização ................................................... 32
3.4 Análises físico-químicas ....................................................................................... 34
3.4.1 Determinação da viscosidade ....................................................................... 34
3.4.2 Determinação do pH .................................................................................... 34
3.4.3 Determinação do °Brix ................................................................................. 35
3.4.4 Determinação de acidez titulável ................................................................. 35
3.4.5 Determinação do ratio .................................................................................. 35
3.4.6 Determinação qualitativa de atividade da pectinesterase ............................. 35
3.5 Análises microbiológicas ...................................................................................... 35
3.5.1 Limpeza e esterilização do material ............................................................. 35
3.5.2 Preparo dos meios de cultura ....................................................................... 36
3.5.3 Preparo das diluições ................................................................................... 36
3.5.4 Método de semeadura total de bactérias mesófilas ...................................... 36
3.5.5 Método de semeadura total de fungos e leveduras ....................................... 36
3.5.6 Método de análise do ambiente .................................................................... 37
3.6 Metodologia experimental .................................................................................... 37
3.6.6 Pré-tratamento do suco através de hidrólise enzimática .............................. 37
3.6.7 Ultrafiltração ................................................................................................ 37
3.6.8 Pasteurização ................................................................................................ 38
3.6.9 Higienização do sistema ............................................................................... 38
3.6.10 Amostragem ............................................................................................... 39
Resultados e Discussão ................................................................................... 40
ix
4.1 Hidrólise enzimática ............................................................................................. 40
4.2 Ultrafiltração ......................................................................................................... 45
4.2.1 Compactação da membrana ......................................................................... 45
4.2.2 Permeabilidade hidráulica ............................................................................ 47
4.2.3 Fluxo permeado do suco de laranja .............................................................. 48
4.3 Higienização da membrana ................................................................................... 52
4.4 Pasteurização ......................................................................................................... 53
4.5 Análise da Membrana através de Microscopia Eletrônica de Varredura
(MEV) ......................................................................................................................... 53
4.6 Análises físico-químicas ....................................................................................... 55
4.7 Análises microbiológicas ...................................................................................... 57
Conclusões e Sugestões ................................................................................. 63
5.1 Conclusões ............................................................................................................ 63
5.2 Sugestões ............................................................................................................... 64
Referências Bibliográficas ............................................................................... 65
Apêndice A ........................................................................................................ 70
Dados Experimentais .................................................................................................. 70
Apêndice B ........................................................................................................ 72

x
Lista de Figuras
Figura 2.1: Corte de uma laranja com suas principais partes representadas
(ABECITRUS, 2006). ............................................................................................. 4
Figura 2.2: Esquema simplificado do processo de extração em máquinas FMC ........ 24
Figura 2.3: Estrutura da parede celular de plantas ........................................................... 24
Figura 3.1: Fluxograma da bancada experimental, incluindo os sistemas de
ultrafiltração e pasteurização................................................................................. 33
Figura 4.1: Viscosidade do suco de laranja tratado com as enzimas Pectinex e
Citrozym ao longo do tempo de hidrólise ............................................................. 43
Figura 4.2: Compactação da membrana para cada experimento (água destilada a
25°C e pressão transmembrana de 200 kPa). ........................................................ 46
Figura 4.3: Compactação média da membrana de ultrafiltração (água destilada a
25°C e pressão transmembrana de 200 kPa). ........................................................ 46
Figura 4.4: Permeabilidade da membrana antes do uso para cada experimento. ........ 47
Figura 4.5: Fluxo permeado do suco hidrolisado. ....................................................... 48
Figura 4.6: Fluxo permeado do suco hidrolisado normalizado em relação à
permeabilidade inicial da membrana. ................................................................... 50
Figura 4.7: Fluxo permeado do suco sem hidrólise. .................................................... 50
Figura 4.8: Fluxo permeado médio do suco ................................................................ 51
Figura 4.9: Fluxo permeado médio de água através da membrana antes e após o uso
e após limpeza e higienização. .............................................................................. 53
Figura 4.10: Fotomicrografia da seção transversal da membrana utilizada nos
experimentos de ultrafiltração. .............................................................................. 54
Figura 4.11: Fotomicrografia da camada seletiva da membrana utilizada nos
experimentos de ultrafiltração. .............................................................................. 55
. 55
Figura 4.12: Gráfico comparativo da viscosidade do suco ao longo do processo
de filtração com pré-tratamento enzimático. ......................................................... 56
Figura 4.13: Placa de Petri, com meio de cultura BDA, após aberta por 10
minutos no laboratório e incubada em estufa por 5 dias a 35°C. .......................... 59
xi
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Composição média da laranja Pêra por 100 g de produto............................... 4
Tabela 3.1: Valores de viscosidade, acidez, ºBrix, ratio e pH do suco cru em
diferentes dias ....................................................................................................... 31
Tabela 3.2: Processos realizados em cada um dos experimentos (1, 2, 3 e 4) ................. 34
Tabela 4.1: Valores da viscosidade do suco de laranja não pasteurizado hidrolisado
com a enzima Pectinex Ultra SP ........................................................................... 41
Tabela 4.2: Valores da viscosidade do suco de laranja não pasteurizado hidrolisado
com a enzima Citrozym Cloudy 100L .................................................................. 41
Tabela 4.3: Percentual de redução da viscosidade do suco de laranja hidrolisado
com Pectinex Ultra SP-L (30°C e 40°C) e Citrozym Cloudy 100-L (35°C e
45°C). .................................................................................................................... 42
Tabela 4.4: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Pectinex Ultra SP-L a 30°C. ......... 44
Tabela 4.5: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Pectinex Ultra SP-L a 40°C. ......... 44
Tabela 4.6: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Citrozym Cloudy 100-L a 35°C. ... 44
Tabela 4.7: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Citrozym Cloudy 100-L a 45°C. ... 45
Tabela 4.8: Permeabilidade hidráulica para os pedaços de membrana utilizados em
cada experimento. ................................................................................................. 48
Tabela 4.9: Valores de acidez titulável e °Brix do suco cru, hidrolisado, permeado,
concentrado e pasteurizado para os experimentos de UF. .................................... 56
Tabela 4.10: Valores de ratio e pH do suco cru, hidrolisado, permeado, concentrado
e pasteurizado para os experimentos de UF. ........................................................ 57
Tabela 4.11: Resultados das análises microbiológicas do ar do laboratório. ................... 58
Tabela 4.12: Resultados da contagem de fungos filamentosos realizadas para o
experimento 1. ....................................................................................................... 60
Tabela 4.13: Resultados da contagem de fungos filamentosos realizadas para o
experimento 2. ....................................................................................................... 60
Tabela 4.14: Resultados da contagem de leveduras realizadas para o experimento 1. .... 60
Tabela 4.15: Resultados da contagem de leveduras realizadas para o experimento 2. .... 61
Tabela 4.16: Resultados da contagem de bactérias mesófilas realizadas para o
experimento 1. ....................................................................................................... 61
Tabela 4.17: Resultados da contagem de bactérias mesófilas realizadas para o
experimento 2. ....................................................................................................... 61
Tabela A.1: Medidas do fluxo permeado de água destilada durante a compactação da
membrana para cada experimento. ........................................................................ 70
Tabela A.2: Medidas do fluxo permeado de água destilada para a determinação da
permeabilidade hidráulica da membrana antes de seu uso. ................................... 70
Tabela A.3: Medidas do fluxo permeado para o suco de laranja hidrolisado .................. 71
Tabela A.4: Medidas do fluxo permeado para o suco de laranja não hidrolisado ........... 71
Tabela B.1: Composição do meio de cultura Orange Serum Agar .................................. 72
Tabela B.2: Composição do meio de cultura Agar batata ............................................... 72
xii
Lista de Símbolos
C
i
m´
concentração do soluto entre os dois lados da membrana (mg.L
-1
)
D
i
, difusividade mássica do soluto (m
2
.s
-1
)
C
i
, concentração do soluto (mg.L
-1
)
J fluxo permeado (m
3
.m
-2
.s
-1
)
J
i
fluxo permeado de soluto (m
3
.m
-2
.s
-1
)
L
p
permeabilidade da membrana (m
3
.m
-2
.s
-1
.Pa
-1
)
R resistência da membrana (m
-1
)
R
1
resistência total da membrana (m
-1
)
R
m
resistência hidráulica da membrana limpa (m
-1
)
R
cp
resistência da membrana associada à camada de polarização (m
-1
)
R
f
resistência da membrana associada ao fouling (m
-1
)
x
P
∂
∂
gradiente de pressão através da membrana (Pa.m
-1
)
ΔP diferença de pressão transmembrana (Pa)
Capítulo 1
Introdução
O suco de laranja, que é definido como suco não fermentado obtido de laranjas
maduras da espécie Citrus sinensis, está entre os sucos mais consumidos e apreciados em todo
o mundo. Atualmente, o Brasil é o maior produtor mundial de laranjas, sendo o suco de
laranja concentrado e congelado (FCOJ) um de seus principais produtos de exportação.
Conforme a Abecitrus (2006), o maior volume de exportação é destinado à União Européia e
ao NAFTA (Canadá, Estados Unidos e México), os quais importam cerca de 65% e 14%,
respectivamente, da produção de FCOJ do Brasil.
Devido aos novos hábitos e crescente tendência ao consumo de produtos naturais,
houve um aumento na demanda do suco de laranja e surgiram novas formas de
comercialização do produto. Existem, basicamente, três formas de comercialização do suco de
laranja: suco concentrado e congelado (FCOJ); suco reconstituído e suco pasteurizado.
Apesar de ser um produto com grande demanda para a exportação, o FCOJ não é um
produto que apresenta um consumo acentuado em âmbito nacional. O suco reconstituído nada
mais é do que o suco congelado adicionado de água e outros aditivos, comercializado pronto
para beber, geralmente em caixas longa vida e sem necessidade de refrigeração. O suco
pasteurizado também é vendido pronto para beber, porém necessita de refrigeração. Tanto o
FCOJ quanto o suco de laranja reconstituído apresentam um sabor característico resultante do
processo de concentração do suco. O suco pasteurizado, por sua vez, apresenta o diferencial
de ser submetido a processamento térmico mais brando, fazendo com que suas características
sensoriais sejam mais próximas às do produto fresco.
A pasteurização convencional pode ser realizada em trocadores de calor tipo duplo-
tubo ou de placas. Consiste no aquecimento do suco a uma determinada temperatura, na
retenção do suco a esta temperatura durante um determinado tempo, seguido de um
resfriamento. Temperaturas e tempos utilizados no processo de pasteurização são, geralmente,
segredo industrial. Existem diversos trabalhos científicos que citam diferentes combinações
INTRODUÇÃO 2
de tempo e temperatura para que a pasteurização seja eficiente no seu propósito de
conservação. O processamento térmico visa aumentar a vida útil e garantir a saúde do
consumidor, porém deve ser conduzido de forma a manter as características sensoriais mais
próximas do suco natural “fresco”. A preservação das características originais dos alimentos,
pelo maior tempo possível, após a sua transformação, é um dos grandes objetivos da indústria
de alimentos.
Apesar da pasteurização do suco de laranja ser efetuada com temperaturas mais baixas
do que as, por exemplo, utilizadas para o leite, ainda assim o suco sofre alterações de sabor
durante o processo. Os processos de separação com membranas (PSM), uma vez que operam
a temperatura ambiente, apresentam-se como uma boa alternativa à pasteurização
convencional.
Uma vez que o Brasil é o maior produtor de laranjas do mundo e o maior exportador
de FCOJ, estudos nesta área são necessários para que o país não somente permaneça neste
ranking, como também possa ser fonte de novas tecnologias na produção de sucos,
oferecendo produtos mais competitivos no mercado nacional e internacional.
Neste contexto, este trabalho visa estudar a possibilidade de integrar o processo
convencional de pasteurização com a ultrafiltração na produção de suco de laranja
pasteurizado. Para tanto, avaliou-se tanto o comportamento do fluxo permeado durante a
filtração, como as características do suco permeado e concentrado através de análises
microbiológicas. Com os resultados obtidos fez-se uma comparação entre a vida de prateleira
do suco pasteurizado e a do suco reconstituído.
Este trabalho foi desenvolvido em parceria com uma empresa produtora de sucos no
Estado, cujo principal produto de comercialização é o suco de laranja pasteurizado pronto
para consumo, o qual deve ser mantido sob refrigeração. Este suco é processado em
trocadores de calor do tipo duplo-tubo, os quais, apesar de utilizarem temperaturas e tempos
diferenciados (flash pasteurização), modificam as características sensorias do suco.
Esta dissertação está dividida em cinco Capítulos. O Capítulo 2 apresenta a
fundamentação teórica e a revisão bibliográfica referente à produção de suco de laranja e aos
PSM. O Capítulo 3 apresenta os materiais e métodos utilizados no desenvolvimento deste
trabalho. No Capítulo 4 os resultados experimentais são apresentados e discutidos.
Finalmente, no Capítulo 5 estão apresentadas as conclusões deste trabalho e sugestões de
trabalhos futuros.
Capítulo 2
Fundamentos Teóricos e Revisão Bibliográfica
Neste capítulo serão apresentados os fundamentos teóricos importantes para este
trabalho e uma revisão bibliográfica dos estudos publicados que estão relacionados com o
processamento de sucos utilizando processos de separação por membranas.
2.1 Suco de laranja
O suco de laranja é uma bebida não fermentada e não diluída, obtida da parte
comestível da laranja (Citrus sinensis), através de processo tecnológico adequado, devendo
obedecer às características de cor, sabor, aroma e composição descritos na legislação. Em
relação à composição, os principais parâmetros analisados são:
• sólidos solúveis (°Brix);
• ratio (relação de °Brix/acidez (g de ácido cítrico anidro/100 g de suco);
• açúcares totais naturais da laranja (g/100 g);
• ácido ascórbico (mg/100 g) e
• óleo essencial % (V/V).
O suco de laranja pasteurizado encontrado no mercado é um suco composto de
diferentes variedades de laranja. Dentre outras características, o suco de laranja deve
apresentar um teor de sólidos solúveis em °Brix de no mínimo 10,5 e ratio mínimo de 7,0
(BRASIL, 1999).
A laranja da variedade Pêra é uma das mais utilizadas na fabricação de suco de laranja
no Estado de São Paulo. Apresenta uma forma quase esférica, casca de espessura fina a média
e cor alaranjada. Possui 3 ou 4 sementes e seu peso médio é de 145 g, tendo,
aproximadamente, 52 g de suco. Sua polpa é firme e de cor laranja vivo. Na média, apresenta
valores de 0,95% de acidez titulável (expressa por g de ácido cítrico anidro/100 g de suco) e
2.1 SUCO DE LARANJA 4
11,9° Brix. A literatura apresenta divergências quanto ao valor de ratio da laranja Pêra:
enquanto alguns autores consideram um valor médio de 12,5 outros consideram uma faixa
que vai de 12,94 a 20,75 (DE NEGRI 1999 e DONADIO, 1999 apud TRIBESS, 2003).
As principais partes que compõem a laranja são:
• flavedo: parte externa e colorida da casca;
• albedo: porção interna esbranquiçada e esponjosa da laranja;
• gomos revestidos por uma membrana e preenchidos por pequenos sacos de suco e
sementes.
Na Figura 2.1 é apresentado um corte de uma laranja com estas partes representadas.
Figura 2.1: Corte de uma laranja com suas principais partes representadas (ABECITRUS,
2006).
A laranja é fonte de beta-caroteno, folato, tiamina e potássio, possuindo um baixo teor
calórico, cerca de 60 calorias por 100 gramas de produto. A laranja é uma excelente fonte de
vitamina C, sendo que uma laranja contém uma dose de ácido ascórbico mais elevada do que
a dose diária recomendada a um adulto. A Tabela 2.1 apresenta a composição média da
laranja Pêra por 100g de produto.
Tabela 2.1: Composição média da laranja Pêra por 100 g de produto.
Composição da laranja Pêra em 100g de produto
Calorias 62 kcal
Carboidratos 15,4 g
Proteínas 1,2 g
Fibras 3,1 g
Gordur
a
0,2 g
Potássio 237 mg
Vitamina C 69,7 mg
Fonte: NETLIGHT, 2002 apud TRIBESS, 2003
2.1 SUCO DE LARANJA 5
No entanto, conforme Tressler & Joslyn (1961), a composição das frutas cítricas é
afetada por diversos fatores como: condições de crescimento, variadas práticas e tratamentos
de cultivo, maturidade e clima. A mesma variedade cultivada em diferentes locais apresenta
diferenças em sua composição.
2.1.1 Mercado
A primeira fábrica de suco concentrado e congelado do Brasil foi implantada nos anos
50, logo após a II Guerra Mundial, para fornecimento no mercado interno. Porém, foi somente
nos anos 60 que a indústria brasileira de sucos e outros sub-produtos da laranja ganhou
impulso. A motivação para este mercado foi a grande geada que, em 1962, atingiu os pomares
da Flórida, chegando a destruir 13 milhões de árvores adultas e, conseqüentemente, destruiu
grande parte da citricultura dos Estados Unidos da América (ABECITRUS, 2006).
Dados da Abecitrus (2006) demonstram que, a partir de 1963, o mercado apresentou
uma rápida expansão e, já na década de 80, o Brasil tornou-se o maior produtor mundial de
laranjas, superando os Estados Unidos. Desde então, o Brasil não mais perdeu seu posto de
líder mundial na produção de laranjas. Na safra de 2002/03 a produção brasileira de laranjas
representou 25% da produção mundial, seguida pelos Estados Unidos com 16%.
A maior parte da produção brasileira de laranjas destina-se à indústria do suco, a qual
se concentra no estado de São Paulo que é responsável por 70% das laranjas e 98% do suco
que o Brasil produz. Como os Estados Unidos dedicam-se a abastecer apenas o seu mercado
interno, o Brasil se transformou no maior exportador mundial de suco de laranja, atendendo
cerca de 50% da demanda e 75% das transações internacionais. Não há outro produto
industrializado onde a presença do Brasil seja tão marcante (ABECITRUS, 2006).
No Brasil, o mercado interno de suco industrializado está relacionado quase que
estritamente ao comércio do suco de laranja natural pasteurizado e do suco de laranja
reconstituído. Isto se deve ao fato de que o suco de laranja concentrado congelado (FCOJ –
Frozen Concentrated Orange Juice) é rejeitado pelo consumidor brasileiro, o qual está
habituado ao consumo do suco de laranja fresco, com características sensoriais superiores
(GARCIA, 2000 apud TRIBESS, 2003).
A partir de 1990, surgiram novas formas de comercialização do suco de laranja,
fazendo crescer seu consumo no Brasil. O aumento do interesse por este produto se deve, em
parte, pelos novos hábitos de consumo de produtos naturais, fazendo com o que o consumidor
substitua as antigas bebidas industrializadas, como refrigerantes, pelos sucos naturais (NETO
& FARIA, 2003).
Neto & Faria (2003) acrescentam que, como opção intermediária, surgiram os sucos
prontos para beber, que são pasteurizados e comercializados sob refrigeração. Estes sucos são
submetidos a tratamentos térmicos mais brandos, fazendo com que suas características
sensoriais sejam mais próximas às do produto fresco. Isto é necessário pois o consumidor
brasileiro possui uma alta exigência com relação ao sabor natural dos sucos cítricos e,
2.1 SUCO DE LARANJA 6
geralmente, detectam alterações em sucos submetidos a processamentos térmicos rigorosos,
tais como os sucos concentrados e congelados.
2.1.2 Processamento do suco de laranja
O processamento de um alimento tem por finalidade básica a conservação da
qualidade do mesmo, sendo importante salientar que nenhum processo pode melhorar a
qualidade de um produto, no máximo manter suas características originais. Desta forma a
fruta utilizada para a produção do suco laranja deve ser sadia, podendo até apresentar
pequenos problemas de manchas ou cor inadequada da casca, o que as tornam impróprias para
o consumo “in natura”, mas não para a produção de suco.
No Brasil são produzidos alguns tipos de suco quase que estritamente para o mercado
externo e outros para o mercado interno. Segundo Abecitrus (2006), o suco de laranja
concentrado congelado representa 72% da produção nacional de laranjas e é quase totalmente
voltado para a exportação, com exceção de uma pequena parte da produção que é utilizada no
processamento do suco de laranja reconstituído no Brasil. Além disto, também são
produzidos, para o consumo no mercado interno, o suco de laranja pasteurizado e o suco de
laranja fresco.
As etapas iniciais de todas as formas de processamento são as mesmas. A colheita é
realizada em pomares da própria indústria e/ou em pomares de terceiros devidamente
cadastrados junto à empresa produtora de suco. A colheita é realizada manualmente,
utilizando escadas, sacolas e caixas que, em seguida, são descarregadas nos caminhões com
destino aos pátios de cada unidade da empresa produtora de suco. Todo o cuidado é tomado
durante o manuseio e o transporte, pois o fruto não pode sofrer batidas que causem
transformações externas e internas, tais como a perda do óleo encontrado na casca e o
rompimento das células internas.
Conforme comentado por Ferrara (2003), o processamento de frutas cítricas permite
que se tenha uma enorme quantidade de produtos acabados, como os concentrados de laranja,
limão e tangerina, além de vários subprodutos com valor comercial, que são obtidos durante o
processo de fabricação. Entre estes subprodutos estão os óleos essenciais, o d’limoneno e o
farelo de polpa cítrica peletizado ou pellet de polpa cítrica.
As principais etapas do processamento de laranjas na produção de suco pasteurizado
são: recebimento, lavagem, seleção e classificação, extração, acabamento, pasteurização,
resfriamento e armazenamento, e estão descritas brevemente a seguir.
Recebimento
Os frutos colhidos são transportados em carretas até o pátio das empresas, onde são
posicionadas nas docas de recepção. São realizadas análises de pH, °Brix, índice de acidez
total e relação acidez/°Brix (ratio), principais parâmetros de qualidade dos frutos a serem
processados, os quais influenciam no planejamento da produção e controle de qualidade do
suco.
2.1 SUCO DE LARANJA 7
Através de registros preliminares, as empresas mantêm um histórico da variedade e da
qualidade de diversos pomares, que servem de orientação para a aquisição das frutas durante a
safra. Esse procedimento possibilita que as fábricas trabalhem com a máxima eficiência e
sempre com a fruta no estágio adequado de maturação.
No interior do pátio, os caminhões entram em fila de espera, aguardam a chamada
para a pesagem e o encaminhamento para o descarregamento. Após, é realizada a primeira
seleção dos frutos. Esta seleção consiste de uma inspeção visual de toda a superfície do fruto,
observando os seguintes aspectos de qualidade:
• estágio ideal de maturação (nem verde nem madura demais);
• ferimentos na casca, como cortes e picadas de insetos;
• presença de fungos e leveduras na casca;
• presença de sujidades;
• dimensões adequadas para o processamento.
Os frutos que não apresentarem qualidade, chamados de “refugo”, são removidos do
processo. Dependendo da empresa, estes frutos são descontados do peso da carga e seguem
para alimentação animal.
Lavagem
Após a primeira seleção, as laranjas são lavadas em esteiras equipadas com esguichos
de água clorada na parte superior e escovas rotativas na parte inferior, sendo estas as
responsáveis pela limpeza mecânica e deslocamento dos frutos. O objetivo desta etapa é a
remoção de sujidades presentes na casca dos frutos.
Seleção e classificação
Após a lavagem, ficam evidentes alguns defeitos que podem prejudicar a qualidade do
produto final e, desta forma é feita uma segunda seleção através de inspeção visual. As
laranjas, completamente limpas, passam por um sistema de roletes em que funcionários
especialmente treinados retiram os frutos em más condições. Nesta etapa, os frutos estragados
por pragas, cortados ou amassados são retirados e enviados para ração animal.
Extração do suco de laranja
A extração do suco é realizada em unidades que operam à base de compressão do fruto
integral, possibilitando a saída do suco por um cilindro, de forma a impedir a incorporação de
material estranho ao mesmo (TOCCHINI, et al., 1995).
Existem dois tipos de extratoras: a Brown, que corta as laranjas em duas metades, que
por sua vez são prensadas contra extratores rotativos similares aos extratores domésticos e as
extratoras da FMC Technologies (Figura 2.2:), as quais são constituídas de dois copos em
2.1 SUCO DE LARANJA 8
forma de dedos que se interpenetram, comprimindo a laranja inteira. O copo inferior é dotado
de um tubo através do qual o suco escoa. Cada máquina contém 5 pares de copos e tem
capacidade para processar até 500 laranjas por minuto.
Este tubo, construído de tela perfurada, retém parte da polpa e as demais partes
sólidas, impedindo que estas venham a se incorporar ao suco. Um dispositivo comprime a
parte da laranja contida dentro do tubo para completar a extração. Nesta fase, a fruta é
separada em casca, suco polposo, emulsão de óleo e sólidos em suspensão (slurry).
O bagaço e a casca são encaminhados à linha de ração animal, a emulsão de óleo é
encaminhada à linha de extração do óleo essencial e o suco polposo é conduzido por
gravidade até os turbo filtros (FERRARA, 2003).
Figura 2.2: Esquema simplificado do processo de extração em máquinas FMC.
Fonte: FMC Technologies.com (2006)
Para adequação ao processo industrial, todas as extratoras são instaladas em
plataforma elevada. O suco de laranja sai das extratoras por meio de tubulações na parte
inferior do equipamento (YAMANAKA, 2005). O modelo de extratora adotado pela maior
parte das empresas nacionais do setor é da FMC.
A limpeza realizada nas extratoras depende do fluxo de produção. Nos casos de fluxo
contínuo, a limpeza é realizada a cada 24 horas com o sistema de retro-lavagem. Após a
parada da fábrica, é feita uma limpeza geral, na qual a máquina é aberta e qualquer tipo de
resíduo de laranja é retirado (FERRARA, 2003).
Acabamento (“Finisher”)
Após a extração, o suco com alto teor de polpa (aproximadamente 30%) é
encaminhado a uma unidade denominada “finisher” ou turbo filtro, a qual tem por finalidade
realizar a remoção de partículas insolúveis do suco, tais como células de laranja, fragmentos
de casca e semente, etc. (TOCCHINI, et al., 1995).
2.1 SUCO DE LARANJA 9
A turbo filtração é um processo contínuo de peneiramento de microsólidos insolúveis
em suspensão através da ação dinâmica da turbulência sobre o líquido a ser filtrado, com a
vantagem de necessitar uma pequena superfície filtrante.
Em seu interior, o turbo filtro possui uma rosca helicoidal em aço inoxidável que gira
internamente em posição inclinada para tentar retirar o máximo de suco possível. Neste
momento, o suco é conduzido para os tanques de alimentação da centrífuga e as células de
laranja vão para uma segunda prensagem para diminuir as perdas de produto (FERRARA,
2003).
O rendimento e a qualidade do suco podem ser controlados através do ajuste no grau
de retenção do suco filtrado, pela abertura maior ou menor do orifício de saída da polpa e pela
perfuração da tela filtrante. Deve-se ter controle, também, da vazão de entrada e da inclinação
do turbo para não haver transbordamento de suco. Quanto mais inclinado o equipamento
estiver, maior será a extração de suco nesta etapa, porém maior o risco de células passarem,
prejudicando os processos posteriores, pois o produto final apresentará uma alta viscosidade
(FERRARA, 2003).
O suco resultante da operação de acabamento é bombeado para um tanque de
equilíbrio para manutenção do fluxo da linha (TOCCHINI, et al., 1995).
Após esta etapa, ocorre a diferenciação dos diversos tipos de suco conforme a
continuidade do processo. O suco pode ser submetido somente à pasteurização ou então ser
concentrado após prévia pasteurização.
Existe ainda o suco reconstituído, o qual é obtido a partir da adição de água potável ao
suco concentrado congelado de forma a reduzir o teor de sólidos solúveis de 65°Brix para,
aproximadamente, 11°Brix. Além disto, são ainda adicionados à mistura aromas, essências de
laranja ou frutas cítricas (MORRIS, 1996 apud TRIBESS, 2003).
Pasteurização
A pasteurização é um tratamento térmico moderado utilizado em alimentos para a
destruição de microorganismos vegetativos (principalmente os patogênicos) e inativação de
enzimas. Como o processo não é severo a ponto de matar esporos, os alimentos pasteurizados
devem ser armazenados sob refrigeração para minimizar a proliferação microbiológica. No
entanto, também devido ao moderado tratamento térmico, as características sensoriais e o
valor nutritivo destes alimentos são minimamente afetados (JOGEM, 2002).
O pH dos alimentos é um parâmetro importante do ponto de vista dos tratamentos
térmicos, sendo que os alimentos são divididos em três grupos de pH (JOGEM, 2002):
• alimentos altamente ácidos (pH < 4,0);
• alimentos ácidos ou moderadamente ácidos (4,0 < pH < 4,5);
• alimentos pouco ácidos (pH > 4,5).
2.1 SUCO DE LARANJA 10
A mais importante distinção na classificação de pH, referindo-se especialmente aos
processamentos térmicos, é a linha divisória entre os alimentos ácidos e os pouco ácidos
(JOGEM, 2002).
No caso de suco de laranja, o tratamento térmico prévio à evaporação (ou
engarrafamento, no caso de suco pasteurizado), constitui-se basicamente de uma
pasteurização, que, além de eliminar a maior parte da flora microbiana, busca inativar a
pectinesterase. Esta enzima destrói a estabilidade da suspensão e faz o líquido tornar-se
límpido na porção superior, alterando o seu aspecto natural (TOCCHINI, et al., 1995).
A presença inevitável de gases dissolvidos no suco (30-50 mL/L), que incluem
oxigênio em quantidades que vão de 2,7 – 5mL/L, pode provocar a oxidação dos seus
componentes modificando o gosto, aroma e cor do suco. Este inconveniente torna-se bem
mais aparente quando o suco contém óleo essencial em quantidades maiores como
conseqüência de extratores que retiram o suco da polpa misturando-o aos óleos da casca (RIO
GRANDE DO SUL, 1975).
Embora se consiga impedir uma fermentação no suco com temperaturas inferiores,
segundo Rio Grande do Sul (1975), o tratamento térmico é realizado a uma temperatura
próxima de 92°C, durante aproximadamente 45 segundos. O processo de pasteurização do
suco de laranja, por sua vez, é realizado a uma temperatura de 95°C durante 20 segundos,
sendo então resfriado e envasado (LD CITRUS apud TRIBESS, 2003).
A temperatura do tratamento do suco e o tempo de retenção são dependentes do pH, o
qual se eleva com o avanço da safra, aproximando-se cada vez mais do pH ideal para a
atividade enzimática. Assim, tratamentos mais severos são empregados para o suco de fim da
safra (TOCCHINI, et al., 1995).
O controle de atividade enzimática, realizado em laboratórios, tem como finalidade
verificar a eficiência do tratamento empregado. Utilizam-se testes de clarificação, geleificação
e análise da atividade da pectinesterase. Com base nos resultados, são feitas as regulagens da
temperatura e tempo de tratamento no processamento do suco (TOCCHINI, et al., 1995).
Tribess (2003) estudou diferentes temperaturas (82,5; 85,0; 87,0°C) e tempos (de 15 a
55 segundos) de pasteurização na produção de suco de laranja minimamente processado e
concluiu que, nas condições estudadas, as diferentes temperaturas aplicadas não
influenciavam significativamente os parâmetros físico-químicos do suco, tais como, °Brix, pH
e acidez titulável.
Refrigeração e armazenamento
A refrigeração é um processo de conservação que envolve temperaturas entre 0 e
15°C, sendo muito utilizada na conservação de frutas “in natura” e, juntamente com um
controle atmosférico, possibilita o armazenamento prolongado de frutas que normalmente
tornar-se-iam perecíveis alguns dias após a colheita, como por exemplo a banana, a manga e a
maçã.
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 11
Na industrialização de sucos e néctares a refrigeração é utilizada como complemento
da pasteurização ou mesmo da conservação por adição de conservantes (TOCCHINI, et al.,
1995).
Subprodutos da industrialização da laranja
O farelo de polpa cítrica peletizado ou pellet de polpa cítrica é obtido por meio do
tratamento de resíduos sólidos e líquidos remanescentes da extração do suco. Entre estes
resíduos estão cascas, sementes e polpa de laranjas. Este material equivale a 50% do peso de
cada laranja e possui uma umidade de aproximadamente 82%. Após passar pelo processo de
industrialização onde a polpa é triturada e seca até atingir 12% de umidade, o produto é
peletizado. O pellet de polpa cítrica é utilizado, principalmente, como complemento para
ração animal, principalmente no ramo da pecuária; possui boa aceitação como insumo na
ração de rebanhos bovinos (leite e corte), mas sua utilização não deve ultrapassar 30% da
matéria seca para cada animal adulto (ABECITRUS, 2006).
Os óleos essenciais são óleos voláteis que são retirados da casca das frutas cítricas
durante o processo de extração do suco. As bolsas de óleo da casca se rompem, liberando o
produto, que é então removido por meio de jatos de água. Em seguida, esta emulsão água-óleo
essencial é separada por meio de centrifugação e depois é resfriada. Estes óleos têm maior
aplicação nas indústrias alimentícia e farmacêutica. Podem ser usados diretamente para dar
sabor em bebidas, sorvetes e outros alimentos, assim como podem ser utilizados na fabricação
de medicamentos, cosméticos como sabonetes, cremes e perfumes. São utilizados, ainda,
pelas indústrias fabricantes de produtos de limpeza (ABECITRUS, 2006).
O d’limoneno é um líquido incolor, com leve odor cítrico, obtido da destilação do licor
cítrico. Este licor provém da prensagem do resíduo úmido da laranja (casca bagaço e
sementes) após a extração do suco. O óleo do licor é removido durante a evaporação e
condensado separadamente. O d’limoneno é a fração oleosa e é considerada uma das mais
puras fontes de terpeno monocíclico, sendo um subproduto com alto valor comercial,
especialmente no campo de fabricação de tintas, solventes e plásticos (ABECITRUS, 2006).
2.2 Processos de separação por membranas
A filtração é definida como a separação de dois ou mais compostos de um fluido
baseada no princípio de diferenças de tamanho. Normalmente refere-se à separação de
partículas sólidas imiscíveis de fluidos líquidos ou gasosos. A filtração por membranas
expande suas aplicações e inclui a separação de sólidos solúveis em soluções líquidas, a
separação de misturas de líquidos e a separação de misturas de gases.
Uma membrana pode ser definida como uma barreira seletiva, sólida ou líquida, que
separa duas fases e restringe, parcial ou totalmente, o transporte de uma ou várias espécies
químicas de maneira específica. Esse transporte pode ocorrer tanto por difusão ou advecção,
sendo induzido por um gradiente de potencial químico (pressão, concentração ou temperatura)
ou potencial elétrico. Dependendo do transporte e da força motriz, têm-se diferentes processos
de separação por membranas (PSM), entre os quais se pode destacar: microfiltração,
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 12
ultrafiltração, osmose inversa, diálise, eletrodiálise, pervaporação e separação de gases, entre
outros.
Os processos de microfiltração e ultrafiltração são alguns dos PSM de maior
importância comercial no mundo. A microfiltração teve origem na Alemanha logo após a a 1ª
Guerra Mundial, no entanto, somente era utilizada laboratorialmente e em escalas reduzidas.
Após este período, também na Alemanha, a ultrafiltração começou a ser empregada, mas
somente na década de 60, nos EUA, sua utilização comercial em larga escala foi empregada
na concentração de macromoléculas (MULDER, 1996).
A principal vantagem da utilização dos PSM na indústria de alimentos deve-se ao fato
de que estes processos não requerem a utilização de calor ou mudanças de fase. Desta forma,
separações envolvendo proteínas ou outros compostos termolábeis, como vitaminas, são
favorecidas uma vez que são preservados nutrientes e constituintes de aroma e sabor, fatores
importantes para a qualidade do produto final. Como exemplo, no processamento de sucos, a
osmose inversa pode ser utilizada na etapa de concentração em substituição à evaporação
convencional, eliminando o sabor de “cozido” presente em muitos sucos processados
industrialmente (MULDER, 1996; HABERT et al., 2000).
Além de processar substâncias termolábeis com mínimas alterações, os PSM
apresentam outras vantagens, destacando-se: a baixa demanda energética, uma vez que não
necessitam de mudança de fase para que a separação ocorra; a alta seletividade das
membranas, o que torna possível fracionar misturas e soluções; a simplicidade de operação e
escalonamento, uma vez que os sistemas são modulares e os dados para o dimensionamento
de uma planta podem ser obtidos a partir de equipamentos pilotos. Os PSM controlados pela
pressão, como microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose inversa têm sido
implementados com sucesso em diversas indústrias, sendo a microfiltração, a ultrafiltração e a
osmose inversa os PSM de maior interesse para a indústria de alimentos. Entre as aplicações
dos PSM na área de alimentos, destacam-se a clarificação de vinhos, sucos e cerveja, a
concentração de gelatina, de proteínas do soro de queijo e de sucos (GUADIX et al., 2004;
HORST e HANEMAAIJER, 1990 apud SANTIN, 2004), entre outras. Embora o suco de
maçã seja o mais comumente processado com tecnologia de membranas, sistemas comerciais
já estão operando com suco de uva, pêra, abacaxi e sucos cítricos (SHORT, 1998 apud
SANTIN, 2004).
A microfiltração é amplamente utilizada na separação de pequenas partículas
presentes em soluções. As membranas de microfiltração são classificadas pelo diâmetro
nominal de poro, o qual é definido como aquele para o qual são retidos entre 97 a 98% de um
determinado tamanho de soluto ou partícula, tipicamente dentro do intervalo de 0,1 a 10 μm.
Além disto, requer pequenas pressões de operação, usualmente na faixa de 70 a 350kPa
(VALENTAS et al., 1997).
A ultrafiltração é utilizada na separação de várias macromoléculas. Normalmente, as
membranas de ultrafiltração são especificadas através da massa molar de corte (MMC) ou
“cut off”. A MMC de uma membrana é definida como sendo o valor da massa molar para a
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 13
qual a membrana apresenta um coeficiente de rejeição de 95%. Desta forma, uma membrana
com MMC de 40 kDa é aquela capaz de rejeitar 95% das moléculas presentes em uma
solução de um soluto com massa molar de 40.000 Dalton.
Segundo Guadix et. al (2004), plantas de ultrafiltração e microfiltração podem ser
projetadas tanto para operações em batelada ou contínuas, sendo o modo contínuo o preferido
para processos de larga escala.
A configuração do escoamento nos PSM pode ser de duas maneiras: transversal (dead-
end) ou tangencial (cross-flow). Nos processos de filtração transversal, com o passar do
tempo, as partículas retidas formam uma “torta” na superfície da membrana, aumentando a
resistência à filtração. Já na filtração tangencial, a fase concentrada é forçada a escoar ao
longo da superfície da membrana, varrendo as partículas retidas; desta forma, a camada de
torta permanece relativamente fina e a resistência à filtração é relativamente pequena.
Ripperger & Altmann (2002) comentam que a filtração tangencial é influenciada por
um grande número de parâmetros, tais como, velocidade tangencial, pressão transmembrana,
resistência da membrana, resistência da camada de torta, distribuição do tamanho das
partículas em suspensão, forma da partícula, comportamento de aglomeração e efeitos de
superfície das partículas, entre outros. Os autores acrescentam que um melhor entendimento
desta formação da camada de torta e deposição de partículas na superfície da membrana pode
resultar em um uso mais econômico da filtração tangencial em diversas aplicações.
Muitos modelos têm sido desenvolvidos para descrever os processos de filtração
tangencial, mas apenas alguns são adequados para descrever os processos reais e explicar os
diferentes resultados experimentais e práticos. Ripperger & Altmann (2002) citam que
recentes investigações estão focadas neste requisito, sendo que, em algumas delas, a espessura
e estrutura da torta são medidas após o processo de filtração, em outros casos, tenta-se obter
informações on-line a respeito da formação desta camada.
O fluxo permeado “J” é definido como o volume de permeado que escoa através de
uma unidade de área da membrana por unidade de tempo. De um modo geral, para os
processos que utilizam o gradiente de pressão como força motriz, o fluxo permeado é
diretamente proporcional ao próprio gradiente de pressão conforme mostra a equação (2.1):
x
P
LJ
p
∂
∂
−= (2.1)
onde L
p
é a constante de proporcionalidade conhecida como permeabilidade da membrana e
∂P/∂x é o gradiente de pressão através da membrana.
A permeabilidade da membrana depende das características da membrana e da
solução a ser processada e pode ser entendida como uma medida de maior ou menor
facilidade que a membrana oferece à passagem de um dado solvente. A permeabilidade pode
apresentar uma forte dependência com as condições operacionais do sistema e com as
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 14
propriedades da membrana. O inverso da permeabilidade é uma medida de resistência (R) que
o meio oferece ao transporte, desta forma, pode ser expressa por:
P
R
J Δ=
.
1
η
onde:
p
L
R
.
1
η
=
(2.2)
O fluxo permeado (J) também pode ser expresso pelo modelo de resistências em série
conforme a equação (2.3):
1
R
P
J
μ
Δ
= (2.3)
onde ΔP é a pressão transmembrana,
μ
a viscosidade dinâmica do permeado e R
1
a resistência
total definida como:
fpcm
RRRR
=
1
(2.4)
onde R
m
é a resistência hidráulica da membrana limpa, R
cp
é a resistência associada à camada
de polarização por concentração e R
f
é a resistência associada ao fouling. Estes dois
fenômenos, polarização por concentração e fouling são muito importantes em PSM cuja força
motriz é a diferença de pressão através da membrana e serão detidamente discutidos mais
adiante.
Independente do modelo utilizado para o fluxo de solvente, o fluxo permeado de
soluto, J
i
, pode, no caso mais geral, ser calculado utilizando-se a lei de Fick, expressa pela
equação (2.5):
dz
dC
DCJJ
i
i
m
ivi
−=
(2.5)
onde C
i
m
representa a concentração do soluto entre os dois lados da membrana; D
i
, a
difusividade mássica do soluto na fase líquida, no interior dos poros, e
C
i
, a concentração do
soluto, que varia ao longo da espessura da membrana. Nesta equação, o primeiro termo
representa a contribuição advectiva ao fluxo de soluto, ou seja, representa a quantidade de
soluto que atravessa a membrana (por unidade de área e tempo) devido ao fluxo do próprio
solvente. O segundo termo representa a contribuição difusiva, ou seja, representa a quantidade
de soluto que atravessa a membrana devido à existência de um gradiente de sua concentração
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 15
ao longo da espessura da membrana. Nos processos cuja força motriz é o gradiente de
pressão, a contribuição difusiva, via de regra, é negligenciável face à parcela advectiva.
A rejeição do soluto é definida como sendo uma fração do soluto originalmente
presente na corrente de alimentação e rejeitado pela membrana, sendo geralmente expressa
em percentagem.
b
p
obs
C
C
R −=
1 (2.6)
O desempenho de um sistema de filtração por membranas é medido em termos de sua
habilidade para produzir grandes volumes de filtrado em um pequeno período de tempo e um
elevado grau de pureza do filtrado em relação à concentração de soluto. Desta forma, o fluxo
permeado e a rejeição do soluto são os dois parâmetros utilizados para medir este
desempenho.
Guadix et al. (2004) comentam que o uso de modelos matemáticos precisos permite
predizer o comportamento do processo e sua modelagem é reconhecidamente uma tarefa
essencial para o sucesso do projeto e a operação das plantas, sendo, geralmente, o objetivo
final da modelagem a otimização do processo. De forma geral, o modelo deve incluir
equações apropriadas para predizer o fluxo permeado. Conforme os mesmos autores, os
principais modelos disponíveis na literatura são: o modelo gel, o modelo de resistências em
série e o modelo de pressão osmótica. O modelo gel pode predizer o fluxo limite e assume a
formação de uma camada gel na superfície da membrana, onde a concentração é constante e
depende apenas do soluto. Este modelo não pode predizer o comportamento do fluxo nas
regiões controladas pela pressão. O modelo de resistências em série relaciona o fluxo
permeado à pressão transmembrana e as demais resistências ao fluxo do solvente devido à
concentração por polarização e
fouling. Por sua vez, o modelo da pressão osmótica justifica a
existência do fluxo limite devido ao aumento da pressão osmótica, o qual é decorrência do
aumento na concentração de solutos retidos próximo à superfície da membrana.
2.2.1 Membranas
O principal papel de uma membrana é atuar como uma barreira seletiva, permitindo a
passagem de certos componentes de uma mistura e retendo os demais.
Em função das aplicações a que se destinam, as membranas apresentam diferentes
estruturas: porosas ou densas. As membranas podem ser classificadas como isotrópicas
(simétricas) ou anisotrópicas (assimétricas), ou seja, podem ou não apresentar as mesmas
características morfológicas ao longo da sua espessura. As membranas assimétricas
caracterizam-se por uma região superior muito fina (≈ 1μm), mais fechada (pode ou não
apresentar poros), chamada de “pele”, suportada em uma estrutura porosa. Quando ambas as
regiões são constituídas por um único material, a membrana é do tipo assimétrica integral e
quando são empregados materiais diferentes no seu preparo, a membrana é do tipo assimétrica
composta.
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 16
As membranas são fabricadas com uma ampla variedade de materiais tais como metais
sinterizados, cerâmica e polímeros. O material das membranas e suas características
morfológicas possuem um importante papel no desempenho do processo de filtração. Por
exemplo, materiais hidrofílicos, como o acetato de celulose, são menos propensos ao fouling
por compostos oleosos do que materiais hidrofóbicos como a polissulfona. As membranas
sintetizadas com ésteres de celulose apresentam limites referentes à temperatura (≈ 50°C) e ao
pH (≈ 3 a 8) e baixa durabilidade. Membranas mais resistentes podem ser preparadas com
polímeros como poliamidas, polissulfonas, poliarilsulfonas, poli (fluoreto de vinilideno),
nylon e policarbonato, entre outros, porém, alguns destes apresentam menor resistência a
agentes oxidantes (MULDER, 1996).
O uso de membranas inorgânicas tem crescido nos últimos anos. Estas são formadas
por óxidos de silício, alumínio, zircônio ou titânio, sendo possível a formação de estruturas
microporosas variadas, bem como um controle adequado da distribuição de tamanho de poros.
As membranas inorgânicas suportam altas pressões, soluções com pH entre 0 e 14 e
temperaturas superiores a 400°C. No entanto, apresentam baixa plasticidade, resultando em
grande fragilidade (DI LUCCIO, 1997; JULIANO, 2000 apud SANTIN, 2004).
De um modo geral, as propriedades mais importantes para as membranas são:
permeabilidade, seletividade, resistência mecânica, estabilidade térmica e resistência química.
As membranas porosas apresentam outras características importantes na determinação da
melhor aplicação: porosidade, espessura e distribuição de tamanhos de poros. Todas as
características das membranas dependem do material e da técnica empregada no preparo das
mesmas (MULDER, 1996).
A porosidade consiste na relação entre o volume de vazios (poros) e o volume total
ocupado pela membrana. Quanto maior a porosidade, menor será a resistência do fluxo de
solvente através da membrana. Desta forma, uma maior porosidade não implica
necessariamente na redução da rejeição de um determinado soluto, pois o aumento na
porosidade pode ser devido ao maior número de poros e não a um aumento em seus diâmetros
médios (MULDER, 1996).
As medidas de fluxo permeado permitem quantificar a permeabilidade da membrana;
no caso de solvente puro, admitindo-se que a membrana seja inerte em relação ao solvente e
que ela não sofra deformação pela ação da pressão (compactação), o fluxo permeado
apresentará uma dependência linear com a pressão, sendo o coeficiente angular desta reta a
permeabilidade da membrana para o solvente em questão (Eq. 2.2).
Observa-se também que, para uma mesma pressão de operação, o fluxo permeado
diminui com o aumento da viscosidade, ou seja, o fluxo permeado através da membrana, para
um dado solvente, é inversamente proporcional à viscosidade do meio fluido. O fluxo
permeado normalmente é expresso em L.m
-2
.h
-1
ou kg.m
-
².h
-1
. As permeabilidades de água
típicas de membranas de osmose inversa, são menores que 50 L.m
-
².h
-1
.atm
-1
, de 50 a 800
L.m
-
².h
-1
.atm
-1
para membranas de ultrafiltração e acima de 500 L.m
-
².h
-1
.atm
-1
para
membranas de microfiltração. A permeabilidade à água é uma determinação simples, uma vez
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 17
que não é destrutiva, e é fundamental na caracterização de uma membrana, servindo como
parâmetro de controle, indicando o grau de limpeza e integridade da membrana (HABERT et
al
., 2000; MULDER, 1996).
Conforme Habert et al. (2000), em processos de ultrafiltração os fluxos permeados
apresentam-se, em média, na faixa de 150 a 250 L.m
-2
.h
-1
. No entanto, fluxos bem menores
podem ser obtidos em função dos efeitos de polarização de concentração e “fouling”, os quais
dependem das condições de operação do sistema e das interações membrana-solução. Estes
dois fenômenos são limitantes para que os PSM sejam mais empregados na indústria e, em
função disso, serão discutidos detidamente mais adiante.
2.2.2 Módulos de membranas
Os principais objetivos da configuração modular das membranas são acomodar
grandes áreas de filtração em um pequeno espaço, suportar as pressões requeridas pelos
processos, assim como apresentar geometrias adequadas que resultem em uma menor perda
de carga e em uma separação eficiente. Os módulos podem ser fabricados a partir de
membranas planas (placa e quadro e espiral) ou a partir de membranas com geometria
cilíndrica ( fibra-oca, capilares e tubular), os quais serão brevemente descritos a seguir.
O projeto do módulo de placa e quadro é similar ao de filtros prensa convencionais,
onde as membranas estão dispostas paralelamente, intermediadas por espaçadores de
alimentação e suportes. Os espaçadores, com geometrias bem definidas, são conhecidos como
promotores de turbulência e têm a função de formar os canais de escoamento e gerar a
turbulência necessária para tornar a separação mais eficiente; a função do suporte é criar os
canais de escoamento para o permeado. A alimentação ocorre simultaneamente a todas
membranas, sendo o concentrado (fração que não permeou através da membrana) retirado por
um duto central. Módulos com esta configuração apresentam um elevado custo de fabricação
e possuem uma baixa densidade de empacotamento, 400 – 600 m²/m³ (relação entre a área de
permeação e o volume do módulo). No entanto, apresentam algumas vantagens tais como, o
fato de que as condições de escoamento da alimentação e do permeado podem ser facilmente
controladas e, no caso de membranas danificadas durante o processamento, estas podem ser
facilmente substituídas.
Os módulos em espiral se constituem de envelopes de membranas intercalados por
espaçadores, enrolados em torno de um tubo coletor perfurado, para o qual o permeado escoa,
sendo todo o conjunto selado externamente. O custo de fabricação do módulo é baixo e este
apresenta uma densidade de empacotamento mais elevada que a configuração do módulo
placa e quadro, aproximadamente de 800 – 1.000 m²/m³.
Os módulos fibra-oca e capilares são semelhantes aos trocadores de calor casco-tubos;
consistem de feixes de fibras ou capilares de membranas acondicionados dentro de um tubo,
sendo que a alimentação pode ser feita pelo interior das fibras, com o permeado recolhido no
casco, ou vice-versa. A divisão entre módulos fibra-oca e capilares é baseada no diâmetro, ou
seja, considera-se fibra-oca quando o diâmetro externo for inferior a 0,5 mm e capilar quando
o diâmetro externo se situar na faixa de 0,5 a 3,0 mm. Tipicamente, membranas capilares
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 18
possuem relação área/volume entre 800 a 1.200 m²/m³, enquanto que, na fibra-oca, esta
relação situa-se em torno de 10.000 m²/m³.
Os módulos fibra-oca e capilares têm recebido grande atenção nos últimos anos
devido às inúmeras vantagens que eles apresentam em relação aos demais. Dentre estas
vantagens destacam-se: elevada densidade de empacotamento e fibras e capilares são auto-
suportados, o que reduz o custo de produção do módulo. No entanto, a possibilidade de
entupimento do orifício interno das fibras, nos casos em que a alimentação contém material
em suspensão é uma desvantagem apresentada por este tipo de módulo (HABERT et al.,
2000).
Por fim, o módulo tubular que, ao contrário dos módulos fibra-oca e capilares, não são
autosuportados. O módulo tubular é amplamente utilizado no processamento de sucos de
frutas, pois seus canais de diâmetro grande permitem uma filtração, com alto desempenho,
mesmo para soluções com elevado teor de sólidos em suspensão. Outras configurações com
canais menores também podem ser consideradas para o processamento de sucos, no entanto,
pode ser necessária a utilização de uma pré-filtração (RODRIGUES, 2002 apud SANTIN,
2004).
A escolha da configuração do módulo, assim como o arranjo dos módulos em um
sistema está baseada em considerações econômicas e parâmetros de engenharia. Alguns
aspectos que devem ser considerados na escolha são o tipo de separação, facilidade de
limpeza, facilidade de manutenção, facilidade de operação, dimensão do sistema, escala e
possibilidade de reposição de membrana, além dos custos de investimento em equipamentos,
custos operacionais e de reposição das membranas (MULDER, 1996).
2.2.3 Polarização por concentração e fouling
A independência do fluxo permeado com o tempo é uma clara indicação da
estabilidade mecânica da membrana, da pureza do solvente e da sua baixa interação com o
material da membrana. No entanto, quando não são observadas uma ou mais destas
condições, o fluxo permeado diminui com o tempo, indicando claramente que alguma
alteração está ocorrendo com a membrana.
O declínio do fluxo permeado pode ser causado por diversos fatores, destacando-se:
deformação mecânica da microestrutura da membrana, fenômeno da polarização de
concentração, adsorção de solutos, formação da camada gel e entupimento dos poros. Nos
casos em que o único motivo para o decréscimo do fluxo de solvente puro com o tempo é a
deformação mecânica da microestrutura, o fenômeno é conhecido como compactação, o qual
é função do valor da pressão aplicada e das características estruturais da membrana.
A polarização de concentração consiste em um fenômeno reversível causado pelo
aumento da concentração de solutos rejeitados pela membrana que se acumulam em uma fina
camada de fronteira (camada limite) próximo à superfície da membrana e estabelecem um
gradiente de concentração positivo na direção oposta ao fluxo permeado. Após um certo
tempo, condições de estado estacionário são estabelecidas e o acúmulo de soluto ou partículas
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 19
na superfície da membrana pode afetar o fluxo permeado de formas distintas. O acúmulo de
solutos rejeitados na camada limite cria uma resistência ao fluxo permeado, sendo que na
micro e na ultrafiltração esta resistência hidráulica da camada limite é considerável e pode até
exceder a resistência da própria membrana. As macromoléculas retidas podem atingir a
concentração de saturação na superfície da membrana e formar uma camada gel, a qual
oferecerá uma resistência adicional.
Particularmente, nos PSM que utilizam membranas porosas, é comum observar uma
queda contínua do fluxo permeado com o tempo, indicando a probabilidade de que outros
fenômenos, além da polarização de concentração, possam estar presentes durante o
processamento. Este fenômeno transiente normalmente é acompanhado por um decréscimo na
rejeição do soluto e é denominado de “fouling”.
O termo “fouling” inclui diferentes processos, tais como adsorção de macromoléculas
na superfície da membrana ou dentro dos poros e a formação da camada de torta. A formação
da camada de torta é uma importante causa do declínio do fluxo na filtração de suspensões
coloidais, como no caso do processamento de sucos. Para limitar a formação da camada de
torta, a limpeza da membrana é usualmente aplicada, sendo relativamente efetiva se a camada
de torta for reversível (HUISMAN et al., 1998).
Todos estes fatores induzem a resistências adicionais ao transporte através da
membrana e são fortemente dependentes do tipo de PSM e da solução de alimentação a ser
processada. Os efeitos do fouling podem ser reduzidos através de pré-tratamentos da
alimentação, os quais são utilizados para remoção de partículas que podem causar obstrução
nos poros e/ou nos canais de escoamento ou para prevenir que partículas ou macromoléculas
atinjam e se depositem na superfície da membrana. O pré-tratamento pode envolver tanto
processos físicos quanto químicos: processos físicos envolvem pré-filtração ou centrifugação
para remoção dos sólidos em suspensão que podem obstruir a membrana; processos químicos
incluem ajuste de pH da alimentação para que possíveis incrustações permaneçam longe de
seus pontos isoelétricos reduzindo, desta forma, a tendência para formação da camada gel. Os
processos químicos podem também envolver precipitação, coagulação, floculação, entre
outros (WAKEMAN & WILLIAMS, 2002).
A escolha da membrana, módulo, configuração do processo, condições de operação e
pré-tratamento são parâmetros a serem avaliados para que a eficiência do processo não seja
diminuída devido ao
fouling e à polarização por concentração. Adequada operação nas
plantas de PSM requer um cuidadoso gerenciamento destes fenômenos visto que,
dificilmente, é possível eliminá-los completamente. Evitando e/ou minimizando o
fouling e a
polarização por concentração, além de incrementar as taxas de filtração, facilita-se a limpeza
das membranas, limitando, assim, o uso de regimes mais severos e freqüentes de limpezas e,
conseqüentemente, prolongando o tempo de vida útil das mesmas (WAKEMAN &
WILLIAMS, 2002).
2.2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 20
2.2.4 Limpeza das membranas
Por definição, a limpeza consiste na remoção de materiais estranhos da superfície e do
interior das membranas, e tem como objetivo restaurar as características de fluxo e
seletividade iniciais. A limpeza pode ser realizada através de métodos físicos (mecânicos) ou
químicos.
A limpeza e a sanitização das membranas fazem-se necessárias por diversas razões;
uma delas é a exigência por leis e regulamentações em certas aplicações, como, por exemplo,
em indústrias de biotecnologia e de alimentos, outra é reduzir a contagem de
microorganismos para prevenir uma possível contaminação nos produtos. Por fim, a limpeza
da membrana visa, também, a melhoria do desempenho do processo, tendo em vista que é
melhor utilizar algum tempo para a limpeza da membrana e restauração do fluxo permeado a
manter um processo com uma membrana com “fouling” e baixo fluxo (CHERYAN, 1998).
Membranas com fouling são comumente rejuvenescidas através de limpezas do tipo
clean-in-place (CIP). A CIP possui um menor tempo de manutenção do que os procedimentos
de limpeza convencionais, também chamados de clean-out-of-place (COP). Muitos
fornecedores costumam recomendar protocolos de CIP para suas membranas. Usualmente, as
soluções de limpeza são circuladas com uma pressão menor do que a utilizada durante a
filtração para prevenir a possível penetração de agentes causadores de fouling na membrana.
Não existe uma regra que possa ser aplicada para predizer qual técnica de limpeza é a mais
adequada para uma aplicação em particular (WAKEMAN & WILLIAMS, 2002).
Cheryan (1998) acrescenta que a freqüência das limpezas é um fator econômico
crítico, tendo em vista que causa um profundo efeito no tempo de operação da membrana.
A escolha da solução de limpeza não é determinada somente pelo tipo de agente
causador do fouling, mas também pela compatibilidade da membrana com a solução na
temperatura da limpeza, custo e toxicidade. Muitas soluções de limpeza podem apresentar,
com o tempo de uso, um efeito adverso na seletividade da membrana (WAKEMAN &
WILLIAMS, 2002).
Conforme Souza & Daniel (2005) o ácido peracético é um sanitizante amplamente
utilizado na indústria de alimentos, pois apresenta um largo espectro de atividade
antimicrobiana, apresentando propriedades bactericidas, virucidas, fungicidas e esporicidas.
Além disto, segundo CHERYAN (1998), o ácido peracético não é corrosivo ao aço inox, não
libera resíduos perigosos e age rapidamente em baixas temperaturas, podendo ser utilizado em
sistemas com membranas de diversos materiais, tais como acetato de celulose, polissulfona e
em membranas inorgânicas. No entanto, não é comumente utilizado em sistemas com
membranas de poliamida, a não ser nos casos em que o fabricante da membrana indique e
aprove o seu uso (CHERYAN, 1998).
Nas duas últimas décadas, a maior parte da literatura focou o fouling em vez da
limpeza. Ainda que o problema de queda de fluxo permeado possa parecer relacionado ao
fouling, pode ser na realidade um problema relacionado à limpeza da membrana. Atualmente,
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 21
um considerável progresso foi atingido sobre o entendimento das interações entre os agentes
causadores do fouling, a membrana e as condições de operação durante a limpeza
(CHERYAN, 1998).
2.3 Processos de Separação por Membranas no
Processamento de Sucos
O objetivo inicial da utilização de filtração por membranas na indústria de sucos de
frutas foi substituir algumas etapas da fabricação dos sucos clarificados. Pesquisas da década
de setenta indicam que a microfiltração e a ultrafiltração podem substituir a etapa de
clarificação do suco com algumas vantagens (CHERYAN, 1998).
Conforme Ganlmann (1993) apud Vaillant
et al. (1999), alguns PSM podem ser
utilizados para separarem sucos em uma fração concentrada de polpa e outra fração
clarificada livre de microorganismos. A fração clarificada, considerada comercialmente
estéril, pode sofrer uma concentração sem aquecimento, também por membranas e,
eventualmente, pode ser utilizada na reconstituição do suco através da combinação com a
fração concentrada de polpa pasteurizada, com o objetivo de obter um produto com melhores
propriedades sensoriais.
Como comentam Vladisavljevic
et al. (2003), a aplicação de ultrafiltração na
clarificação de sucos de frutas e vegetais tem sido extensivamente estudada durante os últimos
25 anos. Segundo os mesmos autores, o principal problema para a aplicação prática da
ultrafiltração é a redução do fluxo permeado com o tempo, causado pelo acúmulo de
componentes da alimentação nos poros (fouling) e na superfície da membrana (polarização
por concentração e formação de gel). Tendo em vista o controle do fouling na membrana
durante a clarificação de sucos, vários métodos para o incremento do fluxo têm sido
propostos, dentre eles, o pré-tratamento enzimático.
Segundo Vaillant et al. (1999), os sucos clarificados podem ser utilizados na produção
de refrigerantes, geléias e gelatinas. Recentemente, observam-se novas tendências na
utilização destes sucos, que passam do consumo direto, como suco ou refresco, para a
elaboração de misturas e drinks, passando por toda a gama de bebidas formuladas e
enriquecidas, gaseificadas ou não, licores, entre outros.
Visando atender esse mercado, novos processos e/ou combinações de processos têm
sido estudados e desenvolvidos. Os PSM, por serem tecnologias que utilizam baixas
temperaturas, contribuindo para a manutenção das características originais das frutas, atendem
às exigências deste novo mercado. Desta forma, a tecnologia de membranas é uma alternativa
aos processos convencionais de clarificação e concentração de sucos.
Na produção de sucos concentrados, a evaporação é o processo mais utilizado até o
presente momento; no entanto, uma vez que este processo acarreta alterações de sabor e
aroma nos sucos, a tecnologia de osmose inversa tem-se apresentado como uma alternativa
promissora para atender os novos hábitos dos consumidores.
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 22
Em seu trabalho, Silva et al. (1998) concluíram que é possível concentrar o suco de
laranja através da combinação de ultrafiltração, como pré-tratamento, seguida de osmose
inversa. O suco de acerola também foi concentrado através da combinação de processos de
separação por membranas. Matta et al. (2004a) utilizaram a microfiltração para a clarificação
do suco de acerola, seguida de osmose inversa para a concentração do suco.
A microfiltração e a ultrafiltração, apesar de serem utilizadas como pré-tratamento na
concentração por osmose inversa, podem ser empregadas como uma pasteurização a frio,
preservando o valor nutricional e sensorial do produto.
2.3.1 Fouling no processamento de sucos por membranas
A maioria dos sistemas que envolvem macromoléculas e sólidos em suspensões estão
sujeitos a limitações de transferência de massa e decréscimo nas taxas de permeação. Em
função disso, a maior restrição em relação aos PSM em sucos ricos em polpa é a formação de
espessas camadas de partículas na superfície da membrana, o que reduz significativamente a
performance do processo (JIRARATANANON et al., 1998, VAILLANT et al., 1999).
Na ultrafiltração de suco de kiwi hidrolisado enzimaticamente, Cassano et al. (2003)
investigaram os efeitos das resistências total, da membrana, a torta e do fouling. Segundo os
autores, a resistência da membrana representa 68,3% da resistência total enquanto a
contribuição das resistências da camada de torta e do fouling, combinadas, representam
31,6%. Particularmente, a fração reversível da resistência pelo fouling representa 29,4% da
resistência total enquanto que a fração irreversível do fouling representa 2,75%. Os autores
comentam, ainda, que a resistência da camada de torta teve um pequena contribuição na
resistência total, representando apenas 2,23%.
Youn et al. (2004), concluíram que a razão entre a resistência do fouling e a resistência
total (R
f
/R
t
), assim como a razão entre a resistência da torta e a resistência total (R
c
/R
t
), devem
ser realmente consideradas, pois estão muito relacionadas à facilidade de recuperação do
fluxo permeado através da limpeza da membrana.
No estudo da clarificação do suco de maçã através de microfiltração, Riedl
et al.
(1998a) mostraram que a estrutura da camada de
fouling tem um grande efeito sobre o fluxo
através da membrana. Em estudo posterior, Riedl et al. (1998b) demonstraram que o
comportamento do fouling para uma membrana em particular é governado pelo modo como as
partículas do suco de maçã se agregam próximo à superfície da membrana durante os
primeiros instantes da filtração. Segundo os mesmos autores, a morfologia da camada de
fouling e, conseqüentemente o fluxo através da membrana, podem ser drasticamente alterados
através da manipulação das interações entre as pectinas, taninos e proteínas, os quais são
componentes da fração coloidal do suco de maçã. Os resultados apresentados por Lenki &
Riedl (1999) mostram que estes três componentes influenciam na resistência da camada de
fouling através de alterações em seu comportamento devido as diferentes associações,
modificando, assim, a morfologia final da camada de fouling sobre a superfície da membrana.
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 23
Além da morfologia da camada de fouling, conforme afirmam Cassano et al. (2003), é
importante lembrar que a vazão de alimentação é outro fator preponderante na performance
dos processos de UF, assim como a pressão transmembrana aplicada. Os mesmos autores, no
estudo de ultrafiltração de suco de cenoura, observaram que o fluxo permeado aumenta com o
aumento de pressão até um valor limite, denominado de pressão transmembrana limite
(TMP
lim
), a qual depende das propriedades físicas da suspensão e da taxa do fluxo de
alimentação. Acima da TMP
lim
, qualquer aumento de pressão é fonte de ineficiência, pois a
energia despendida no processo aumenta e não se obtém um aumento da taxa de permeado.
Além disto, em pressões acima da TMP
lim
, o fouling torna-se significativamente importante e
a queda do fluxo permeado é acelerada.
Na ultrafiltração de suco de abacaxi, Barros et al. (2003) compararam o desempenho
de uma membrana cerâmica tubular (tamanho médio de poro de 0,01 μm) e uma membrana
polimérica de fibra oca (massa molar de corte de 100 kDa) e demonstraram que o fluxo
permeado obtido com a membrana cerâmica é maior que o obtido com a membrana
polimérica. A explicação dos autores para este comportamento é que no interior da membrana
cerâmica o regime do escoamento é turbulento, o qual aumenta a taxa de transferência de
partículas da superfície da membrana para o escoamento principal, resultando em uma
polarização por concentração e formação de camada de torta menos espessas. Para a
membrana polimérica em módulo fibra oca o escoamento ocorre em regime laminar e há a
formação de uma camada de torta mais espessa. Os autores concluem que, no caso da
membrana cerâmica tubular, o mecanismo de fouling predominante no processo também é
causado pelo bloqueio dos poros e, no caso da membrana de fibra oca de polissulfona, o
principal mecanismo de fouling foi a formação da camada de torta.
Conforme Todisco et al.(1996), durante a microfiltração de suco de laranja com uma
membrana de diâmetro de poro médio igual a 0,3μm, o fluxo permeado decai rapidamente nos
primeiros 20-30 minutos, seguido por um declínio gradual até atingir um valor limite de,
aproximadamente, 5 L.m
-2
.h
-1
. Nestas condições de escoamento (Re = 5000), a filtração pelo
modo tangencial é governada pelo mecanismo combinado de polarização por concentração e
de fouling baseado na teoria da formação de torta. Isto significa que o fluxo convectivo direto
da solução concentrada para a membrana prevalece sobre o fluxo contra-difusivo do material
rejeitado, conduzindo à formação de uma camada de torta sobre a superfície da membrana.
Além disto, o autor observa que com o aumento do número de Reynolds de 5000 para 7000 o
bloqueio dos poros passa a ser o mecanismo de
fouling predominante durante a filtração.
2.3.2 Pré-tratamento do suco
Para sucos de frutas, o material responsável pelo fouling é principalmente composto
por polissacarídeos da parede celular tais como pectina, celulose, lignina e hemicelulose,
conforme mostra a Figura 2.3. Dentre estes, a pectina tem sido considerada como a maior
contribuinte na queda do fluxo permeado e nas dificuldades de limpeza das membranas de
microfiltração com escoamento tangencial.
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 24
Fonte: IPPA, 2006
Figura 2.3: Estrutura da parede celular de plantas
Pectinas são polissacarídeos estruturais presentes na lamela média e na parede celular
das células vegetais. Estes polissacarídeos são compostos por ácidos galacturônicos unidos
por ligações do tipo α (1-4). Com base nos tipos de modificações da cadeia principal das
substâncias pécticas, elas são classificadas em protopectinas, ácidos pécticos, ácidos
pectínicos e pectinas. As cadeias laterais da molécula de pectina consistem de açúcares como
L-ramanose, arabinose, galactose e xilose. Os grupos carboxílicos dos ácidos galacturônicos
são parcialmente esterificados por grupos metilas (KASHYAP et al., 2001).
Tendo em vista o controle do fouling na membrana durante a clarificação de sucos,
vários métodos para o incremento do fluxo têm sido propostos, dentre eles, o pré-tratamento
enzimático, o qual consiste na hidrólise dos polissacarídeos solúveis, os quais são
responsáveis pela alta viscosidade dos sucos (VAILLANT et al., 1999; VLADISAVLJEVIC
et al., 2003; CARNEIRO et al., 2002; CHO et al., 2003).
Enzimas são proteínas globulares que possuem um sítio ativo com poder catalítico.
São sintetizadas pelas células e, em todos os tipos de organismos, estão relacionadas com as
reações químicas do metabolismo. Conseqüentemente, as reações enzimáticas ocorrem em
diversos tipos de alimentos, podendo melhorar a qualidade ou provocar a deterioração dos
mesmos. O processo de amadurecimento de frutas e vegetais está relacionado a estes
fenômenos enzimáticos (BELITZ & GROSCH, 1999).
As pectinases são enzimas responsáveis principalmente pela degradação de pectinas.
Para a produção industrial destas enzimas, o Aspergillus niger é o fungo mais utilizado,
sintetizando poligalacturonase (PG), polimetilgalacturonase (PMG), pectina liase (PL) e
pectinesterase (PE) (NAIDU & PANDA, 2003).
Ao contrário do que ocorre na maçã, na qual as pectinas apresentam alto grau de
metilação, as pectinas da laranja são apenas parcialmente metiladas. Isto ocorre porque o suco
de laranja contém naturalmente grandes quantidades de pectinesterase, enzima que retira
grupos metilas das moléculas de pectina dando origem a ácidos pécticos e metanol. Na
presença de íons de cálcio e ácidos pécticos são formados pectatos de cálcio insolúveis no
suco, o que ocasiona uma indesejável precipitação de partículas (KASHYAP et al., 2001).
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 25
A massa molar da maioria das pectinesterases encontra-se na faixa de 35-50 kDa e a
temperatura ótima de atividade é na faixa de 40-50°C (JAYANI et al., 2005). Esta enzima
apresenta sua atividade máxima por volta de pH 7,0 a 7,5 e é motivo de grande atenção no
processamento de frutas cítricas, pois acredita-se que esta é uma das principais causas da
instabilidade conhecida como perda de turbidez e geleificação no suco não pasteurizado ou
em concentrados congelados (TOCCHINI, et al., 1995).
A poligalacturonase (PG) é um membro da família das pectinases, a qual atua nas
ligações α (1→4) dos ácidos poligalacturônicos das pectinas. Em grande parte das aplicações
industriais, as poligalacturonases obtidas através de fungos são as mais utilizadas devido à sua
maior atividade enzimática em uma faixa de pH menor, sendo as mais indicadas nos
processos de frutas e vegetais. A temperatura ótima para a atividade da PG é na faixa de 30 –
50°C e, para temperatura acima de 50°C, a inativação da mesma é notável após curto período
de aquecimento. No entanto, PG’s comerciais são mais tolerantes ao calor do que as PG’s
purificadas (ORTEGA et al. 2004).
Conforme Gummadi & Panda (2003), a estabilidade das pectinases é afetada por
parâmetros físicos como temperatura e pH e, também, por agentes químicos como inibidores
ou ativadores. O efeito da interação entre pH e temperatura é um aspecto interessante que
afeta a estabilidade das pectinases. Observa-se que estas enzimas degradam diversas
substâncias pécticas através de diferentes mecanismos e o seu comportamento durante a
hidrólise é crucial na avaliação e aplicação das mesmas nos diferentes ramos industriais.
Segundo os mesmos autores, o pH ótimo para a estabilidade da poligalacturonase (PG),
polimetilgalacturonase (PMG) e pectina liase (PL) é de 4,8, 2,23 e 3,9, respectivamente com
temperatura ótima de 28°C, 23°C e 29°C, respectivamente. Desta forma, os autores
concluíram que a PL apresenta uma maior estabilidade térmica em relação à PG.
Além disto, os resultados apresentados por Gummadi & Panda (2003), mostraram que
as condições de pH e temperatura ótimos para a estabilidade das enzimas não são as mesmas
nas quais apresentam sua atividade ótima. Desta forma, fica claro que a performance catalítica
e a estabilidade das pectinases são aspectos ligeiramente diferentes.
Diversas outras enzimas de degradação da parede celular são utilizadas
industrialmente para aumentar a qualidade de produtos e melhorar a eficiência da clarificação
de vinho e sucos de frutas, assim como a extração de óleos. Dentre elas estão, além das
pectinases, as celulases e as hemicelulases, as quais são comumente utilizadas nos preparados
enzimáticos comerciais (ORTEGA et al. 2004).
No estudo da clarificação do suco de maçã reconstituído utilizando filtração por
membranas, Youn et al. (2004) avaliaram diferentes tipos de pré-tratamentos com pré-filtros
(poli vinil poli pirrolidone - PVPP, carvão ativado e bentonite) e com enzimas (mistura de
pectinase e amilase), antes da microfiltração e da ultrafiltração. Os autores comentam que o
pré-tratamento melhorara o fluxo permeado em comparação ao suco sem pré-tratamento.
Segundo eles, este comportamento é comum em casos de pré-tratamento com filtração, no
qual os componentes responsáveis pela turbidez são removidos por adsorção. Entre os filtros
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 26
avaliados, o bentonite foi o que apresentou o melhor resultado tanto para a microfiltração
quanto para a ultrafiltração.
Conforme Vaillant et al. (1999), os sucos de frutas são, usualmente, pré-tratados com
compostos enzimáticos para hidrolisar, principalmente, os polissacarídeos responsáveis pela
alta viscosidade. Este tratamento é mais efetivo em sucos com conteúdo relativamente baixo
de polpa. Aparentemente, uma degradação enzimática mais agressiva é necessária não
somente para reduzir a viscosidade do suco, mas também para liquefazer os polissacarídeos
insolúveis presentes na parede celular, os quais são retidos pela membrana.
Segundo Szaniawski & Spencer (1997), pré-tratamentos com enzimas que hidrolisam
as pectinas estão sendo amplamente investigados nos processo de microfiltração, ultrafiltração
e osmose inversa de sucos de frutas e demais líquidos alimentícios que contenham pectinas.
Vaillant et al. (1999) estudaram a microfiltração de suco de maracujá previamente
hidrolisado. Com o objetivo de verificar a influência de diferentes atividades enzimáticas
sobre a performance geral da filtração, foram utilizadas quatro enzimas comerciais com
diferentes atividades. Em todos os casos em que o suco foi tratado enzimaticamente, os
autores observaram um forte e positivo efeito sobre o fluxo permeado; no entanto, a
magnitude deste efeito foi dependente da composição da enzima comercial utilizada. As
enzimas que possuíam somente um tipo de atividade (pectinolítica ou celulolítica)
apresentaram um menor efeito em relação às enzimas que possuíam ambas as atividades.
Barros (2002) apud Balischi et al. (2002) determinou a redução percentual da
viscosidade do suco de acerola com 2% de polpa, tratado com a enzima Citrozym Ultra L, nas
seguintes condições: temperatura de 30°C, tempo de tratamento de 60 minutos e
concentrações de 10, 20 e 30 ppm. A redução média da viscosidade foi de 27%.
Balischi
et al. (2002), por sua vez, determinaram a redução percentual da viscosidade
em amostras de suco de acerola com 30% de polpa, tratadas com a enzima Citrozym Ultra L,
a 35°C, tempo de tratamento de 60 minutos e concentração de 50 ppm, encontrando um valor
médio de 29% para a redução da viscosidade. Também observaram que, com um aumento da
temperatura de hidrólise de 30 para 35°C e da concentração de 30 para 50 ppm, ocorre uma
maior redução percentual da viscosidade, mesmo com um teor de polpa muito mais elevado.
Os autores observaram que o tratamento enzimático realizado com duas enzimas comerciais
(Citrozym Ultra L e Pectinex Ultra SP-L) no suco integral de acerola aumentou o tamanho das
partículas insolúveis devido à redução da repulsão eletrostática entre as partículas, fazendo
com que elas se agrupassem. Foi observado também que as características microscópicas da
polpa sofreram alterações com o tratamento enzimático, sendo evidente uma tendência a
aumentar o tamanho do diâmetro médio das partículas.
Balischi
et al. (2002) concluíram que o tratamento enzimático reduziu o teor de polpa,
a viscosidade e a turbidez, melhorando as características do suco de acerola e facilitando a
clarificação por processo de filtração com membranas.
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 27
Em adição, Matta et al. (1999) apud Balischi et al. (2002) mediram a redução de
viscosidade para o suco integral de acerola com, aproximadamente, 34% de polpa, após
tratamento enzimático com as enzimas Pectinex Ultra SP-L (0,01% e 0,02% (v/v)) e Citrozym
LS (0,01% e 0,02% (v/v)), na temperatura de 35°C. Os autores observaram que a viscosidade
diminuiu com o tempo de tratamento, assim como com a concentração das enzimas.
Utilizando uma concentração de 0,01% (v/v) da enzima Pectinex Ultra SP-L e tempo de
tratamento de 60 minutos, a redução encontrada foi de 80%. No entanto, nas mesmas
condições, Balischi et al. (2002), encontraram valores de redução da viscosidade em torno de
53%.
Em estudo posterior, Matta et al. (2004a) concluíram que o principal efeito do
tratamento enzimático foi a redução da viscosidade e do conteúdo de polpa do suco de
acerola; os resultados encontrados mostraram que a hidrólise foi eficiente na quebra de
moléculas de pectina e outras substâncias como amido, celulose e hemicelulose, as quais
provocam os fenômenos de polarização por concentração, formação da camada gel e fouling
durante a filtração.
É importante salientar que os resultados obtidos pelos autores que trabalharam com
suco de acerola não podem ser linearmente comparados, pois a composição do suco pode
variar, não apenas em relação à quantidade de polpa, mas em relação a outros constituintes e,
conseqüentemente acarretar diferentes interações; o mesmo deve ser considerado em relação à
enzima comercial, a qual pode apresentar diferentes graus de pureza e, como mencionado por
Vaillant et al. (1999) e ORTEGA et al. 2004, apresentar diferentes desempenhos em relação à
redução da viscosidade dos sucos.
No caso do suco de abacaxi hidrolisado com duas diferentes enzimas, Pectinex Ultra
SP-L e Celuclast 1,5L, em uma concentração de 0,03% (v/v) a 30°C durante 60 minutos,
Carneiro et al. (2002), encontraram uma redução média de 29,6% na viscosidade e 22,0% no
conteúdo de polpa.
Youn
et al. (2004) comentam que as enzimas testadas em seu trabalho apresentaram
performances diferentes em cada processo (MF e UF), sendo seu melhor resultado observado
na microfiltração. Esta variação pode ser explicada pelo fato de que as enzimas fracionam
polímeros em partículas de menor tamanho, as quais podem penetrar e permear facilmente
através dos poros de membranas de microfiltração, mas não são pequenas o suficiente para
permearem através de membranas de ultrafiltração.
Segundo Lenki & Reidel (1999), a adição de enzimas não necessariamente melhora o
fluxo através da membrana; para o caso de suco de maçã, observaram que apenas o
aquecimento do suco, sem tratamento enzimático, já conduz à criação de flocos densos e uma
camada de
fouling com pouca resistência.
2.3.3 Microbiologia do suco de laranja
O alto conteúdo de ácido dos sucos cítricos evita o crescimento de microorganismos
patogênicos, mas também permite o desenvolvimento de bactérias lácticas dos gêneros
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 28
Lactobacillus e Leuconostoc, leveduras e fungos resistentes ao meio ácido, cujos
metabolismos produzem substâncias que conferem sabor e odor indesejáveis (KIMBALL,
1991 & APHA, 1992 apud SHIGEOKA, 1999).
As bactérias do gênero Lactobacillus apresentam diversos metabólitos: lactato,
diacetil, acetato, formato, succinato, dióxido de carbono, etanol e outros ácidos de um ou dois
carbonos, sendo o lactato o principal metabólito. O diacetil produzido por esta bactéria
confere um sabor amanteigado e odor indesejável aos sucos cítricos, sendo uma das grandes
causas de sua rejeição. A temperatura ótima de crescimento dos Lactobacillus varia de 30° a
40°C e o pH ótimo entre 5,5 e 5,8; suas colônias são circulares, do tamanho da cabeça de um
alfinete. A maioria de suas colônias é de coloração branca, sendo que algumas podem ser
pigmentadas, variando de alaranjadas a avermelhadas (KIMBALL, 1991 & APHA, 1992 apud
SHIGEOKA, 1999).
As bactérias do gênero Leuconostoc também produzem metabólitos, dentre eles estão
o ácido láctico, o etanol, o dióxido de carbono e o diacetil. A temperatura ótima de
crescimento varia de 20° a 30°C e a maioria das espécies cresce em pH 5,5 a 6,5; são também
aeróbias facultativas, ou seja, crescem na presença ou ausência de oxigênio. As bactérias do
gênero Leuconostoc formam grandes colônias circulares abobadadas, aparecendo somente na
superfície do meio de cultura, com uma cor translúcida e textura suave. No entanto, algumas
espécies podem apresentar-se no fundo do meio de cultura, sob condições anaeróbias
(KIMBALL, 1991 apud SHIGEOKA, 1999).
As colônias de leveduras são maiores e crescem mais lentamente do que as das
bactérias, com temperatura ótima de crescimento na faixa de 20° a 30°C. Geralmente, as
leveduras são mais resistentes a altas temperaturas (65 a 70°C) do que as bactérias e os
fungos. Estudos indicam que a levedura mais proeminente em sucos cítricos pasteurizados é a
Saccharomyces cereviase, seguida da espécie Rhodoturula (conhecida como levedura rosa) e
da Zygosaccharomyces. Tipicamente, as leveduras apresentam-se sob a forma de células
pequenas e ovais. (STAINER et al., 1969 & KIMBALL, 1991 apud SHIGEOKA, 1999).
Os fungos, por sua vez, desenvolvem-se em ambientes úmidos e com disponibilidade
de ar. O limite superior de temperatura para seu crescimento é em torno de 60°C, com
tolerância de pHs muito baixos. Os fungos presentes nos frutos cítricos não são considerados
patogênicos. As espécies de fungos encontrados no suco de laranja pasteurizado são:
Aureobasidium pullulans, Penicilium, e Cladosporium. As colônias dos fungos estão sempre
na superfície e consistem de um material muito fibroso, que lembra a textura de um algodão
(KIMBALL, 1991 apud SHIGEOKA, 1999).
Contagens elevadas de leveduras e bactérias ácido produtoras podem indicar a
fermentação do produto. Dessa forma, é necessário estabelecer limites de tolerância destes
microorganismos no suco para que a sua qualidade possa ser garantida.
O nível máximo de microorganismos aceito industrialmente varia de 5x10
2
a 1 x10
5
Unidades Formadoras de Colônias por mililitro de suco (UFC).mL
-1
de suco). Existem
2.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS NO PROCESSAMENTO DE SUCOS 29
especificações comerciais que permitem somente 1x10
3
a 5x10
3
bactérias e menos de 10
fungos e leveduras por 1 mL de suco, o que pode ser apropriado para sucos pasteurizados
(KIMBALL, 1991 apud SHIGEOKA , 1999).
A legislação brasileira vigente para sucos de frutas, néctares e similares, RDC n°12 de
02 de janeiro de 2001, somente estabelece limites para coliformes, o qual deve ser de ausência
em 25 mL de suco. Na Portaria n.° 451, de 19 de setembro de 1997, a qual vigorou antes, o
limite estabelecido para fungos e leveduras em sucos era de 10
2
UFC.mL
-1
de suco, sendo o
limite para coliformes o mesmo que o estabelecido atualmente. O limite anterior à Portaria n.°
451, de 19 de setembro de 1997, era estabelecido pela portaria nº 01/87 do Ministério da
Saúde, a qual estabelecia o limite aceitável de microorganismos em sucos e refrescos “in
natura
” como sendo de, no máximo, 10
4
UFC.mL
-1
de produto na contagem em placas de
fungos e leveduras.
As análises microbiológicas de Matta et al. (2004a) mostraram que o produto obtido
pela microfiltração de suco de acerola foi um suco clarificado e adequado para o consumo,
pois está de acordo com os requerimentos da legislação brasileira.
Da mesma forma, Carneiro et al. (2002) afirmam que as características do suco
permeado mostram que a microfiltração foi efetiva para pasteurização do suco de abacaxi. O
suco microfiltrado também apresentou características microbiológicas dentro dos padrões
exigidos pela legislação brasileira. Acrescentam, ainda, que estes parâmetros foram mantidos
ao longo do período de armazenamento (no caso, 28 dias), concluindo, desta forma, que a
microfiltração pode ser utilizada como um processo alternativo na conservação de sucos de
frutas em substituição à pasteurização convencional.
Capítulo 3
Materiais e Métodos
Neste capítulo serão apresentados a matéria-prima, os reagentes químicos e os
equipamentos utilizados nos experimentos bem como a metodologia experimental empregada.
3.1 Matéria-prima
A matéria-prima utilizada neste estudo foi suco de laranja fresco fornecido por uma
empresa da região. As amostras foram coletadas diretamente do processo de fabricação do
suco, após a passagem pelo turbo filtro - conhecido também como finisher - que é uma
centrífuga que retira o excesso de polpa do suco. Esta etapa ocorre antes da pasteurização.
Uma vez que o suco utilizado não foi pasteurizado ele será denominado, neste trabalho, de
suco cru.
A composição do suco varia fortemente com a estação do ano, acarretando alterações
na acidez e no teor de sólidos solúveis de cada amostra. Na empresa, com o intuito de
amenizar estas alterações, o suco é colocado em um tanque de equalização antes do processo
de pasteurização. No entanto, por questões operacionais, a amostra utilizada neste estudo foi
coletada antes deste tanque e, desta forma, verificaram-se variações de acidez e °Brix nas
amostras de suco cru. A Tabela 3.1, a qual apresenta valores de viscosidade, acidez, ºBrix,
ratio e pH do suco cru em diferentes épocas, ilustra estas variações de composição.
3.2 REAGENTES E SOLUÇÕES 31
Tabela 3.1: Valores de viscosidade, acidez, ºBrix, ratio e pH do suco cru em
diferentes dias
Datas
Viscosidade
(mPa.s)
Desvio
Padrão
Acidez*
Desvio
Padrão
°Brix Ratio pH
11/08/05 2,43 ± 0,0062 0,82
0,01 13,0 15,79 3,71
15/03/06 1,80 ± 0,0074 1,01
0,01 9,0 8,92 3,38
18/04/06 2,08 ± 0,0051 1,00
0,02 11,0 10,99 3,59
*(g de ác. cítrico anidro/ 100 g de suco)
3.2 Reagentes e soluções
A seguir serão apresentados, separadamente, os compostos, soluções e meios de
cultura utilizados no pré-tratamento do suco, na limpeza do sistema de membranas e para a
realização de análises microbiológicas.
Pré-tratamento do suco de laranja: composto enzimático Pectinex Ultra SP,
Novozymes e composto enzimático Citrozym Cloudy 100L, Novozymes.
Limpeza das membranas: solução de ácido peracético a 0,5% (Kalyclean S 380);
solução de detergente alcalino a 2% (Remofoam).
Análises físico-químicas: solução de hidróxido de sódio 0,1N (marca DINÂMICA);
fenolftaleína alcoólica a 1%.
Análises microbiológicas
: meio de cultura Orange Serum Agar, marca OXOID, e meio
de cultura Agar Batata, marca ACUMEDIA.
3.3 Membrana
Foi utilizada uma membrana polimérica comercial com massa molar de corte entre 40
– 50 kDa fabricada pela OSMONICS, atual General Electric Company. A membrana vem em
formato retangular e, para ser utilizada, deve ser cortada no tamanho do módulo usado nos
experimentos. O fabricante não forneceu informações a respeito da composição química da
membrana, apenas algumas de suas características. A membrana é hidrofílica, possui uma
pressão de operação recomendada de 170 bar e uma pressão de operação máxima de 890 bar e
tem como recomendada uma temperatura máxima de 60°C.
3.3.1 Análise da Membrana através de Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV)
Com o objetivo de caracterizar a estrutura da membrana utilizou-se a técnica de
microscopia eletrônica de varredura.
3.4 EQUIPAMENTOS DE ULTRAFILTRAÇÃO E PASTEURIZAÇÃO 32
O preparo da membrana para a MEV consistiu na quebra e metalização da mesma. A
membrana foi imersa em nitrogênio líquido sendo, em seguida, quebrada com auxílio de duas
pinças. As amostras foram dispostas em suportes metálicos e enviadas para a metalização.
Os materiais não condutores de corrente elétrica, para serem analisados no MEV,
devem ser previamente metalizados. A metalização consiste na precipitação a vácuo de uma
película micrométrica de material condutor (ouro ou carbono) sobre a superfície do material,
possibilitando a condução da corrente elétrica. As membranas analisadas foram metalizadas
com ouro no dia anterior à análise e previamente secas e armazenadas num dessecador.
As imagens eletrônicas de varredura foram obtidas com o equipamento Jeol-JSM 5800
Scanning Microscope, no Centro de Microscopia Eletrônica da Universidade Federal do Rio
Grande do Sul. As seguintes condições analíticas foram utilizadas para as análises: feixe de
elétrons com resolução nominal de 0,0035 µm, regulável para tensões de 0,3 a 30 kV; vácuo
da análise de 10
-4
Pa e vácuo da metalização de 10
-5
bar.
3.4 Equipamentos de Ultrafiltração e Pasteurização
Os experimentos foram realizados em uma unidade de bancada, cuja representação
esquemática está mostrada na Figura 3.1. O sistema é composto pelos elementos descritos a
seguir, os quais estão identificados na Figura 3.1 pelas letras entre parênteses:
- banho termostático (A) que mantém a água que circula na camisa do tanque de
alimentação aquecida ou resfriada;
- tanque de alimentação (B) encamisado de vidro com capacidade de 2 L;
- bomba peristáltica (C) para circulação do fluido;
- manômetros (D) para medidas de pressão e válvula de contra-pressão (E);
- módulo para membrana plana (F) com área de filtração de 51,75 cm² e
escoamento tangencial;
- sistema de pasteurização composto por uma serpentina (G) (~ 9 m) para o
aquecimento, uma serpentina isolada termicamente (H) para o tempo de retenção
(~3,70 m) e outra serpentina (I) para o resfriamento (~6 m) imersa em um banho
refrigerado de gelo com cloreto de cálcio (~-10°C);
- termopar (J) do tipo J (T1) que envia um sinal para um indicador de temperatura
modelo N480-1 da NOVUS, com graduação decimal em graus Celsius. A leitura foi
corrigida por uma curva de calibração feita com um termômetro aferido
(equipamento utilizado no primeiro experimento de pasteurização).
3.4 EQUIPAMENTOS DE ULTRAFILTRAÇÃO E PASTEURIZAÇÃO 33
- Registrador eletrônico de dados (K) LOGBOX da Novus modelo STANDART
(equipamento utilizado no segundo experimento de pasteurização).
Figura 3.1: Fluxograma da bancada experimental, incluindo os sistemas de ultrafiltração e
pasteurização.
As linhas representadas em azul são referentes ao processo de ultrafiltração do suco e
as linhas em vermelho representam o processo de pasteurização do suco concentrado
resultante do processo de ultrafiltração. Ao final da pasteurização, o suco é reconstituído com
10% de suco permeado e 90% de suco concentrado e pasteurizado através do método
convencional (aquecimento por um determinado tempo seguido de resfriamento).
Conforme mostra a Tabela 3.2, foram realizados dois experimentos compostos pelo
processos de ultrafiltração seguido do processo pasteurização (denominados Experimentos 1 e
2) e dois experimentos compostos apenas pelo processo de ultrafiltração (denominados
Experimentos 3 e 4).
3.4 ANÁLISES FÍSICO-QUÍMICAS 34
Tabela 3.2: Processos realizados em cada um dos experimentos (1, 2, 3 e 4)
Processos
realizados
Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3 Experimento 4
Ultrafiltração X X X X
Pasteurização X X
3.4 Análises físico-químicas
A seguir serão apresentadas as análises físico-químicas realizadas para a
caracterização do suco nas diferentes etapas dos processos de ultrafiltração e pasteurização.
3.4.1 Determinação da viscosidade
A viscosidade foi determinada em um viscosímetro capilar da marca SCHOTT,
modelo AVS 350 e banho termostático modelo CT 52. O método consiste na medida do
tempo requerido por uma certa quantidade de amostra líquida para escoar através de um tubo
capilar com comprimento e espessura definidos. A viscosidade cinemática é obtida através da
seguinte equação:
tk.
ν
(3.1)
onde k é a constante do capilar (0,01471mm²/s²) e t é o tempo medido para o escoamento do
fluido dentro do capilar. A viscosidade dinâmica (μ) do suco foi obtida multiplicando a
viscosidade cinemática pela massa específica do suco (considerada igual a 1,0423kg/L – valor
obtido da pesagem de um determinado volume de suco).
Uma vez que a viscosidade dinâmica será a única viscosidade utilizada neste trabalho,
por simplificação, ela será doravante denominada apenas de viscosidade.
A viscosidade do suco cru depende do teor de sólidos solúveis e varia a cada
experimento. Assim sendo, considerou-se a viscosidade inicial do suco como aquela obtida no
início do processo de hidrólise. Desta forma, o parâmetro avaliado foi a redução de
viscosidade em relação à viscosidade do suco cru e não os valores absolutos de viscosidade
obtidos.
3.4.2 Determinação do pH
As análises de pH foram realizadas através do pHmetro DIGIMED modelo DM20. O
eletrodo utilizado é do tipo DME CV4 com ponte eletrolítica de KCl e possui um termo
3.5 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 35
compensador DMF-NI. A precisão da medida apresenta incerteza de 0,1 e confiança de 95%.
O equipamento foi regularmente calibrado com soluções padrão de pH 4,00 e 6,86.
3.4.3 Determinação do °Brix
O °Brix é o índice de sólidos solúveis em frutas e seus derivados. Sua medida baseia-
se no princípio de que o índice de refração de uma solução varia regularmente com a
concentração do soluto. Foi medido em refratômetro portátil PASSED modelo SZJ-A.
conforme metodologia descrita em Instituto Adolfo Lutz (1976).
3.4.4 Determinação de acidez titulável
A acidez titulável, expressa em g de ácido cítrico anidro/100g de suco, foi determinada
com solução de hidróxido de sódio 0,1N conforme metodologia descrita em Instituto Adolfo
Lutz (1976).
3.4.5 Determinação do ratio
O ratio é um parâmetro que fornece o grau de maturação da fruta e, sendo de fácil
obtenção, é amplamente utilizado na indústria como parâmetro de qualidade do suco.
O ratio foi obtido através da razão °Brix/acidez titulável, determinados conforme
descrito anteriormente.
3.4.6 Determinação qualitativa de atividade da pectinesterase
O método para a determinação da atividade da pectinesterase baseia-se na medida da
taxa pela qual os grupos metílicos esterificados da pectina são hidrolisados. Esta análise foi
realiza nas amostras de permeado pelo laboratório da empresa parceira deste trabalho.
3.5 Análises microbiológicas
A seguir serão descritos os procedimentos utilizados na preparação e realização das
análises microbiológicas.
3.5.1 Limpeza e esterilização do material
Todos os frascos utilizados para o armazenamento das amostras ao longo do período
de análises, assim como as ponteiras de pipeta utilizadas para transferir alíquotas de amostras,
foram previamente limpos e esterilizados em autoclave (121°C) durante 30 minutos. Foram
utilizadas placas de Petri descartáveis previamente esterilizadas.
3.5 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 36
3.5.2 Preparo dos meios de cultura
Orange Serum Agar
Para a preparação do meio de cultura Orange Serum Agar, pesou-se 37 g do meio de
cultura desidratado e suspendeu-se em 1 L de água destilada. O meio é levado à ebulição até
dissolução completa do ágar. Para cada análise realizada neste trabalho foram preparadas
quantidades exatas de meio de cultura conforme o número de placas a serem semeadas (10
mL de meio/placa). O frasco com o meio de cultura foi esterilizado em autoclave a 121°C
durante 15 minutos. A composição final média do meio de cultura Orange Serum Agar
preparado está demonstrada no Apêndice B.
Potato Dextrose Agar
Para a preparação do meio de cultura Potato Dextrose Agar pesou-se 39 g do meio de
cultura desidratado e suspendeu-se em 1 L de água destilada. O meio é levado à ebulição até
dissolução completa do ágar. Semelhantemente ao que foi feito para o meio de cultura
anterior, para cada análise realizada foram preparadas quantidades exatas de meio de cultura
conforme o número de placas a serem semeadas (10 mL de meio/placa). O frasco com o meio
de cultura foi esterilizado em autoclave a 121°C durante 15 minutos. A composição final
média do meio de cultura Orange Serum Agar preparado está demonstrada no Apêndice B.
3.5.3 Preparo das diluições
Foi transferido, assepticamente, 1 mL da amostra a ser analisada para um tubo com 9
mL de água destilada previamente esterilizado em autoclave (121°C; 15 minutos). Após a
agitação do tubo, obteve-se a diluição 1x10
-1
. Para a amostra de suco cru, a partir desta
primeira diluição, foram realizadas mais três diluições de 1x10
-4
; para as amostras de
permeado, pasteurizado e suco reconstituído foram feitas apenas uma diluição (10
-1
).
3.5.4 Método de semeadura total de bactérias mesófilas
A semeadura foi realizada através do método de plaqueamento em profundidade.
Alíquotas de 1 mL das amostras e suas diluições foram assepticamente depositadas no fundo
das placas de Petri devidamente identificadas. A seguir, o meio Orange Serum Agar,
preparado conforme descrito anteriormente, foi vertido cuidadosamente nas placas contendo
as amostras. As placas foram rotacionadas em movimentos na forma de “8” até completa
homogeneização. Cada amostra foi semeado em triplicata. Após a solidificação do meio, as
placas foram incubadas invertidas em estufa a 37°C durante 2 dias.
3.5.5 Método de semeadura total de fungos e leveduras
Para este método a preparação das amostras foi idêntica ao método de contagem total
de bactérias mesófilas, apenas o tempo de incubação foi modificado de 2 para 5 dias e a
temperatura de 37°C para 30°C.
3.6 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 37
3.5.6 Método de análise do ambiente
A análise do ar do ambiente foi realizada no local de realização dos experimentos. As
placas com os meios de cultura foram expostas (abertas) ao ambiente por dez minutos e
depois foram incubadas.
3.6 Metodologia experimental
A metodologia experimental utilizada neste trabalho será apresentada a seguir,
separada em itens: pré-tratamento, ultrafiltração, pasteurização, higienização do sistema e
amostragem.
3.6.7 Pré-tratamento do suco através de hidrólise enzimática
Foram testados dois compostos enzimáticos comerciais para realizar a hidrólise
enzimática com o objetivo de reduzir a viscosidade do suco de laranja:
- Pectinex Ultra SP-L: composto basicamente de poligalacturonase, expressa pelo
Aspergillus aculeatus;
- Citrozym Cloudy 100L: composto por pectina liase, poligalacturonase,
pectinesterase de baixa atividade, celulase e hemicelulase, expressa pelo
Aspergillus niger.
Ambos os compostos são comercializados pela Novozymes. Por conveniência, será
utilizada a nomenclatura de enzimas em referência aos compostos enzimáticos.
Os tratamentos enzimáticos foram realizados em diferentes temperaturas e tempos de
hidrólise. As temperaturas utilizadas foram de 30° e 40°C para a Pectinex Ultra SP e de 35° e
45°C para a Citrozym Cloudy 100 L em tempos de 15, 30, 45 e 60 minutos para ambas. Estas
diferenças de temperatura são necessárias devido as diferentes faixas de maior atividade
enzimática de cada composto.
Foram adicionados 300 ppm de enzima em 1 L de suco cru. Este volume foi
fracionado entre 4 Erlenmayers de 250 mL cada e levados a um banho-maria tipo Dubnoff
(TE-053) com agitação constante. A cada 15 minutos, um Erlenmeyer foi retirado do banho
de água e colocado em um recipiente com água e gelo para cessar a reação de hidrólise,
sendo, a seguir, medida a viscosidade de cada solução. Cada experimento de hidrólise foi
realizado em triplicata para cada uma das enzimas.
3.6.8 Ultrafiltração
Para cada experimento de ultrafiltração foi utilizado um novo pedaço da membrana e,
desta forma, antes de cada filtração de suco realizou-se a compactação da membrana com o
objetivo de adaptar sua estrutura à pressão de operação do sistema. Esta etapa é necessária
pois membranas de ultrafiltração sofrem um adensamento em sua microestrutura quando
3.6 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 38
submetidas à pressão, resultando na redução do fluxo permeado. Uma vez que a pressão de
compactação necessita ser maior do que a pressão em que o sistema será operado, a
compactação foi realizada com água destilada a 25°C e pressão transmembrana de 200 kPa. A
membrana foi considerada compactada quando três medidas de fluxo permeado de água
foram iguais, em intervalos de 10 minutos entre uma medida e outra.
A filtração foi realizada em bateladas de 2 L, com pressão de operação de 150 kPa,
vazão de alimentação de 7,8x10
-6
m
3
.s
-1
e temperatura de 25°C.
O modo de operação utilizado foi o de concentração em batelada, no qual o permeado
é coletado separadamente e o retido é recirculado para o tanque de alimentação. O tempo de
filtração foi, em média, de duas horas por experimento.
O fluxo permeado foi medido pelo método direto através de medidas de volume por
tempo num intervalo de 10 minutos entre uma medida e outra.
Foram realizadas três filtrações com o suco hidrolisado e com o suco cru. Na filtração
do suco hidrolisado não foi adotado o procedimento de inativação da enzima.
Antes e após cada experimento com o suco, foi medido o fluxo permeado de água
destilada a 25°C em diferentes pressões de operação (50, 100, 150 e 200 kPa) com o objetivo
de verificar a tendência de fouling do suco.
3.6.9 Pasteurização
A pasteurização do suco concentrado foi realizada em três etapas: aquecimento, tempo
de retenção e resfriamento. A pasteurização do concentrado foi realizada somente em dois
experimentos de filtração. Para a pasteurização do suco não foi possível utilizar um
pasteurizador piloto devido ao baixo volume a ser processado, aproximadamente 1,5 L.
Na etapa de aquecimento utilizou-se uma serpentina de 9 m de comprimento aquecida
por um banho com água fervente. Para a etapa de retenção do suco aquecido, utilizou-se uma
serpentina de 3,9 m de comprimento isolada com lã de rocha. O tempo de retenção foi
estipulado em 1 minuto a uma temperatura estimada de 87°C; este tempo foi definido com
base em estudos anteriores (SHIGEOKA, 1999; BADOLATO, 2000 e TRIBESS, 2003), nos
quais foram estudadas diversas combinações de tempos e temperaturas para a pasteurização
do suco de laranja.
Na etapa de resfriamento utilizou-se uma serpentina de 6 m de comprimento em um
banho de refrigeração composto de gelo e cloreto de cálcio na proporção 3:1.
3.6.10 Higienização do sistema
A higienização do sistema foi realizada por CIP (clean in place) com pressão
transmembrana desprezível. Primeiramente, realizou-se o enxágüe do sistema com água
3.6 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 39
destilada a temperatura de ~ 25°C durante 15 minutos e, após, mediu-se o fluxo permeado de
água destilada. A limpeza da unidade foi realizada com uma solução de detergente alcalino a
base de NaOH com uma concentração de 2% (pH ~ 12,8) durante 10 minutos a uma
temperatura de ~ 45°C. Após a etapa da limpeza, realizou-se outro enxágüe com água
destilada durante 15 minutos a uma temperatura de ~ 45°C. A sanitização do sistema foi
realizada a uma temperatura de ~ 25°C com uma solução de ácido peracético a 0,5% (pH ~
2,9). Após concluída a higienização, o fluxo permeado de água destilada foi medido
novamente.
3.6.11 Amostragem
Em cada experimento de ultrafiltração com suco hidrolisado foram recolhidas sete
amostras de permeado e uma amostra de concentrado pasteurizado. Estas amostras geraram a
amostra de suco reconstituído.
Com o intuito de minimizar possíveis contaminações pelo manuseio e contato com a
atmosfera do laboratório, as amostras de permeado foram coletadas a cada 10 minutos e, em
cada coleta, utilizou-se um novo frasco esterilizado. Além disto, as amostras foram coletadas
dentro de um caixa de metal com apenas uma abertura na parte frontal e, próximo ao frasco de
coleta, havia uma chama de fogo acesa para evitar contaminações. Foram coletados sete
frascos de permeado de cada experimento.
A amostra do pasteurizado foi coletada na saída da serpentina de resfriamento, sendo
descartada a primeira fração de suco, na qual podia haver resíduos de desinfetante, pois a
higienização da serpentina foi realizada no dia anterior e não se realizou o enxágüe do sistema
para evitar contaminação do mesmo. Esta amostra foi coletada em um único frasco, sendo,
posteriormente, fracionada em seis frascos.
A amostra de suco reconstituído é composta por 90% de pasteurizado e 10% de
permeado. Todos os fracionamentos foram realizados no laboratório de microbiologia do
Instituto de Ciências Básicas da Saúde da UFRGS.
Capítulo 4
Resultados e Discussão
Neste capítulo estão apresentados e discutidos os resultados das duas fases deste
trabalho. A primeira fase consistiu na escolha da enzima a ser utilizada no pré-tratamento. Na
segunda fase foi investigada a utilização da ultrafiltração associada à pasteurização
convencional e como este procedimento influencia a vida de prateleira do suco de laranja.
Realizou-se, também, uma comparação entre o comportamento do fluxo permeado obtido
para o suco de laranja com e sem pré-tratamento enzimático.
4.1 Hidrólise enzimática
A hidrólise enzimática foi empregada com o objetivo de reduzir a viscosidade do suco
de laranja cru. Neste trabalho, foram testadas duas diferentes enzimas comerciais, a Pectinex
Ultra SP-L e a Citrozym Cloudy 100-L, ambas fabricadas pela Novozymes A/S, conforme
descrito no Capítulo 3.
A Citrozym Cloudy 100-L é uma enzima que apresenta atividades pectinolítica,
hemicelulolítica e celulolítica, as quais são responsáveis pela quebra de pectinas,
hemiceluloses e celulose, respectivamente. A Pectinex Ultra SP-L, por sua vez, é uma enzima
que possui apenas atividades pectinolítica e hemicelulolítica.
A Tabela 4.1 mostra os resultados obtidos de redução da viscosidade do suco
hidrolisado quando utilizada a enzima Pectinex Ultra SP-L. A comparação de médias pelo
teste de Tukey HSD, foi feita para as colunas da tabela, ou seja, a comparação foi realizada
para uma mesma temperatura em diferentes tempos de hidrólise.
Nos experimentos com esta enzima, a viscosidade média inicial do suco bruto foi de
2,43 mPa.s. Com base na comparação entre as médias pelo teste de Tukey HSD, ao nível de
95% de confiança (p<0,05), pode-se verificar que houve diferença significativa entre a
viscosidade do suco bruto e a do suco hidrolisado. Analisando a viscosidade resultante dos
diferentes tempos (para uma mesma temperatura) e temperaturas (30°C e 40°C) de hidrólise
4.1 HIDRÓLISE ENZIMÁTICA 41
verifica-se que não houve diferença significativa ao nível de 95% de confiança (p<0,05) entre
eles.
Tabela 4.1: Valores da viscosidade do suco de laranja não pasteurizado hidrolisado
com a enzima Pectinex Ultra SP
Tempo de hidrólise
(minutos)
Viscosidade absoluta média
Após a hidrólise a 30°C (mPa.s)
Viscosidade absoluta média após a
hidrólise a 40°C (mPa.s)
0 2,43
a
2,43
a
15 2,05
b
2,06
b
30 2,05
b
2,04
b
45 2,04
b
2,02
b
60 2,03
b
2,01
b
*Letras sobrescritas iguais indicam que os valores de viscosidade não diferem significativamente entre si.
Nos testes realizados com a Citrozym Cloudy 100L, cujos resultados estão
apresentados na Tabela 4.2, a viscosidade média do suco bruto foi de 2,31 mPa.s. A
comparação das médias pelo teste de Tukey HSD, ao nível de 95% de confiança (p<0,05),
mostra que para diferentes tempos e temperaturas de hidrólise não houve diferença
significativa entre as viscosidades medidas. Novamente, letras sobrescritas iguais indicam que
os valores não diferem significativamente entre si.
Tabela 4.2: Valores da viscosidade do suco de laranja não pasteurizado hidrolisado
com a enzima Citrozym Cloudy 100L
Tempo de hidrólise
(minutos)
Viscosidade absoluta média
Após a hidrólise a 35°C (mPa.s)
Viscosidade absoluta média
após a hidrólise a 45°C (mPa.s)
0 2,31
a
2,31
a
15 2,02
a
1,97
a
30 1,99
a
1,97
a
45 1,98
a
1,95
a
60 1,97
a
1,94
a
*Letras sobrescritas iguais indicam que os valores de viscosidade não diferem significativamente entre si.
No presente trabalho, a redução percentual média da viscosidade do suco de laranja
variou entre 12 e 18 % dependendo da enzima e do tempo de hidrólise. A Tabela 4.3 mostra a
redução da viscosidade do suco de laranja, em percentual, para cada uma das enzimas e suas
respectivas temperaturas de hidrólise.
4.1 HIDRÓLISE ENZIMÁTICA 42
Tabela 4.3: Percentual de redução da viscosidade do suco de laranja hidrolisado com
Pectinex Ultra SP-L (30°C e 40°C) e Citrozym Cloudy 100-L (35°C e 45°C).
Tempo de
hidrólise
(minutos)
Pectinex
Ultra SP-L
30°C (%)
Pectinex
Ultra SP-L
40°C (%)
Citrozym
Cloudy 100L
35°C (%)
Citrozym
Cloudy 100L
45°C (%)
15 15,6 15,2 12,6 14,7
30 15,6 16,0 13,9 14,7
45 16,0 16,9 14,3 15,6
60 16,4 17,3 14,7 16,0
Este resultado é um pouco inferior aos obtidos por outros autores para outros tipos de
suco e compostos enzimáticos. Conforme Balischi et al. (2002), a redução percentual média
da viscosidade de amostras com 30% de polpa de acerola foi de 29%. Carneiro et al. (2002)
encontraram uma redução percentual média da viscosidade do suco de abacaxi de 29,2%.
Estas diferenças no percentual de redução da viscosidade do suco de laranja em
relação a outros sucos podem ser explicadas pelos seguintes fatores:
1) o suco de laranja utilizado passou pelo processo de turbo filtração para a remoção
de grande parte da polpa resultando em um suco menos polposo que os sucos dos
trabalhos citados;
2) diferenças nas reações bioquímicas decorrentes das variações na composição e
concentração das enzimas utilizadas em cada trabalho;
3) diferenças na composição química de cada suco (ressalta-se que a viscosidade
inicial para cada lote de suco é diferente).
Os valores da viscosidade em função do tempo de hidrólise obtidos no presente
trabalho podem ser observados na Figura 4.1. Observa-se que, nos primeiros 15 minutos, a
viscosidade do suco sofre uma diminuição de 2,43 mPa.s para 2,05 mPa e, a seguir, a
viscosidade passa a ser levemente sensível ao tempo da reação de hidrólise.
4.1 HIDRÓLISE ENZIMÁTICA 43
Figura 4.1:
Viscosidade do suco de laranja tratado com as enzimas Pectinex e Citrozym ao
longo do tempo de hidrólise
Conforme descrito no Capítulo 3, em cada experimento de hidrólise foram realizadas
análises de acidez titulável, °Brix, ratio e pH. As Tabelas 4.4, 4.5, 4.6 e 4.7 mostram os
valores obtidos para estes parâmetros, em diferentes tempos de hidrólise com Pectinex Ultra
SP-L a 30°C e 40°C e Citrozym Cloudy 100-L a 35°C e 45°C, respectivamente. São
apresentados os resultados da triplicata para cada experimento de hidrólise.
Nas Tabelas 4.4 e 4.5 pode-se observar que estes parâmetros pouco se alteram durante
a hidrólise. A cada experimento (1, 2 e 3) era utilizado um lote diferente de suco e, desta
forma, para cada experimento, tanto a acidez quanto os demais parâmetros, no tempo zero,
eram os mesmos para as duas temperaturas de hidrólise testadas com a enzima (30 e 40°C). A
acidez do experimento 1, no tempo zero, em ambas as tabelas, apresentou um valor inferior
(0,48 g de ác. cítrico anidro/100g de suco) ao encontrado para o suco hidrolisado em qualquer
tempo. No entanto, este fato não se repetiu para os experimentos seguintes (2 e 3), nos quais
os valores de acidez variaram levemente conforme o tempo de hidrólise. Concluí-se, desta
forma, que o valor de acidez encontrado para o tempo zero, no experimento 1, pode ter
apresentado erro experimental.
4.1 HIDRÓLISE ENZIMÁTICA 44
Tabela 4.4: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Pectinex Ultra SP-L a 30°C.
Pectinex Ultra
SP-L a 30°C
Acidez* °Brix Ratio pH
Experimentos
Tempo
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
0 min
0,48 0,65 0,82 11,0 11,3 13,0 22,9 17,4 15,9 4,09 3,80 3,71
15 min
0,63 0,68 0,84 11,2 11,2 13,2 17,8 16,5 15,7 3,93 3,82 3,70
30 min
0,64 0,68 0,86 11,0 11,1 13,0 17,2 16,3 15,1 3,88 3,83 3,62
45 min
0,64 0,66 0,86 11,2 11,1 13,2 17,5 16,8 15,3 3,88 3,83 3,63
60 min
0,64 0,67 0,84 11,0 11,1 13,2 17,2 16,6 15,7 3,90 3,82 3,68
*dada em g de ác. cítrico anidro/100g de suco
Tabela 4.5: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Pectinex Ultra SP-L a 40°C.
Pectinex Ultra
SP-L a 40°C
Acidez* °Brix Ratio pH
Experimentos
Tempo
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
0 min
0,48 0,65 0,82 11,0 11,3 13,0 22,9 17,4 15,9 4,09 3,80 3,71
15 min
0,64 0,65 0,83 11,2 11,5 13,2 17,5 17,7 15,9 3,46 3,78 3,64
30 min
0,51 0,66 0,93 11,0 11,2 13,1 31,6 17,0 14,1 3,87 3,78 3,63
45 min
0,65 0,64 0,85 11,2 11,0 13,1 17,2 17,2 15,4 3,86 3,79 3,63
60 min
0,50 0,64 0,84 11,0 11,0 13,0 22,0 17,2 15,5 3,86 3,77 3,63
*dada em g de ác. cítrico anidro/100g de suco
Novamente, nas Tabelas 4.6 e 4.7, quando observa-se o experimento 2, onde a enzima
Citrozym foi utilizada, pode-se constatar que a acidez inicial foi um pouco menor do que a
acidez para o suco hidrolizado em qualquer tempo e em ambas as temperaturas, sugerindo,
assim, um erro experimental na determinação da acidez.
Tabela 4.6: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Citrozym Cloudy 100-L a 35°C.
Citrozym Cloudy
100-L a 35°C
Acidez* °Brix Ratio pH
Experimentos
Tempo
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
0 min
0,91 0,89 0,86 11,5 12,5 13,2 12,6 14,0 15,3 3,82 3,61 3,60
15 min
0,91 1,02 0,86 11,5 12,3 13,0 12,6 12,1 15,1 3,54 3,63 3,56
30 min
0,89 1,01 0,9 11,2 12,3 13,1 12,6 12,2 14,6 3,66 3,66 3,53
45 min
0,90 1,01 0,84 11,5 12,5 13,2 12,8 12,4 15,7 3,72 3,64 3,65
60 min
0,93 1,00 0,86 11,0 12,1 13,2 11,8 12,1 15,3 3,74 3,65 3,59
*dada em g de ác. cítrico anidro/100g de suco
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 45
Tabela 4.7: Valores de acidez titulável, °Brix, ratio e pH, em diferentes tempos, para
cada experimento de hidrólise com a enzima Citrozym Cloudy 100-L a 45°C.
Citrozym Cloudy
100-L a 45°C
Acidez* °Brix Ratio pH
Experimentos
Tempo
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
0 min
0,91 0,89 0,86 11,5 12,5 13,2 12,6 14,0 15,3 3,82 3,61 3,60
15 min
0,92 1,01 0,87 11,3 12,3 13,5 12,3 12,2 15,5 3,81 3,59 3,59
30 min
0,93 1,02 0,86 11,2 12,5 13,2 12,0 12,3 15,3 3,83 3,65 3,59
45 min
0,91 1,02 0,86 11,5 12,5 13,0 12,6 12,3 15,1 3,84 3,64 3,62
60 min
0,90 1,01 0,87 11,5 12,3 13,2 12,8 12,2 15,2 3,83 3,64 3,56
*dada em g de ác. cítrico anidro/100g de suco
Carneiro et al. (2002) mostram que a acidez, pH e conteúdo de sólidos solúveis
(°Brix) do suco de abacaxi não foram alterados após o tratamento enzimático. Da mesma
forma, estes parâmetros também não sofreram alterações significativas após os experimentos
de hidrólise realizados.
Os resultados encontrados no presente trabalho indicam que, nas condições testadas, a
enzima mais adequada ao pré-tratamento do suco é a Pectinex Ultra SP-L. Os aumentos do
tempo e da temperatura de hidrólise não interferiram na redução da viscosidade.
4.2 Ultrafiltração
A seguir serão apresentados os resultados obtidos nos experimentos de ultrafiltração
do suco de laranja hidrolisado e do suco de laranja não hidrolisado. Além disto, serão
apresentados os resultados referentes às etapas de compactação e limpeza da membrana,
assim como as medidas de permeabilidade antes e após o uso da membrana.
4.2.1 Compactação da membrana
A queda do fluxo permeado com o tempo para água destilada a 25°C, no processo de
ultrafiltração, com pressão de 200 kPa, foi acompanhado antes de cada experimento. Esta
queda do fluxo permeado é referente à compactação que a membrana sofre devido à pressão
utilizada no processo.
A Figura 4.2 mostra os resultados das compactações realizadas antes de cada
filtração. Uma vez que cada experimento foi realizado com um novo pedaço de membrana, os
fluxos permeado iniciais e finais diferiram para cada experimento.
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 46
Figura 4.2: Compactação da membrana para cada experimento (água destilada a 25°C e
pressão transmembrana de 200 kPa).
A Figura 4.3 apresenta o valor do fluxo permeado médio para os quatro experimentos
de compactação. A análise desta figura mostra que a membrana apresentou uma compactação
média significativa, pois seu fluxo médio inicial foi de 749 L.h
-1
.m
-2
e diminui para 254 L.h
-
1
.m
-2
, representando, desta forma, uma diminuição de 66% do fluxo permeado para esta
membrana.
Figura 4.3: Compactação média da membrana de ultrafiltração (água destilada a 25°C e
pressão transmembrana de 200 kPa).
Os resultados de compactação indicam que esta membrana possui uma estrutura
microporosa bastante compactavél, pois o tempo necessário para que o fluxo permeado
atingisse valores praticamente constantes foi de cerca de duas horas, além de apresentar uma
alta redução de fluxo permeado.
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 47
4.2.2 Permeabilidade hidráulica
Assim como a compactação foi realizada e acompanhada para cada novo pedaço de
membrana, a medida da permeabilidade hidráulica, antes do uso, também foi realizada para
cada experimento. A Figura 4.4 mostra os valores do fluxo permeado de água destilada para
diferentes pressões de operação para a membrana utilizada em cada experimento. Para cada
pressão foram realizadas três medidas de fluxo permeado em um intervalo de 10 minutos cada
e realizada a média. Assim, o intervalo de medida de fluxo entre uma pressão e outra foi entre
35 - 45 minutos.
Figura 4.4: Permeabilidade da membrana antes do uso para cada experimento.
A permeabilidade hidráulica também apresentou diferentes valores para cada novo
pedaço de membrana. Este resultado já era esperado, uma vez que a membrana apresenta uma
distribuição de poros de forma irregular. Isto pode ser claramente percebido quando a
membrana é dividida em pedaços menores.
A
Tabela 4.8 apresenta os valores de permeabilidade hidráulica medidos para cada
experimento, os quais foram realizados com pedaços novos de membrana. Observa-se uma
variação entre os valores de permeabilidade hidráulica encontrados em cada pedaço. Para o
experimento 1 a permeabilidade hidráulica apresentada foi distinta das demais, indicando
assim que a membrana não é homogênea em sua estrutura; este resultado pode ser visto
também pela análise da Figura 4.4 onde tem-se valores de fluxo de permeado para o
experimento 1 bastante inferiores aos demais.
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 48
Tabela 4.8: Permeabilidade hidráulica para os pedaços de membrana utilizados em
cada experimento.
Experimento
Permeabilidade hidráulica
(L.m
-2
h
-1
atm
-1
)
1 75,17
2 176,44
3 156,46
4 145,61
Habert et al. (2000) comenta que as membranas de ultrafiltração apresentam
permeabilidade hidráulica na faixa de 50 a 500 L.m
-
².h
-1
.atm
-1
conforme sua massa molar de
corte. Os valores encontrados para a membrana utilizada neste trabalho estão dentro desta
faixa.
4.2.3 Fluxo permeado do suco de laranja
Os experimentos foram realizados nas seguintes condições de operação: pressão
transmembrana de 150 kPa, velocidade de escoamento de 7,47 m.s
-1
e temperatura do suco de
alimentação de 25°C.
A variação do fluxo permeado em função do tempo, para os experimentos realizados
com o suco de laranja hidrolisado pode ser observada na Figura 4.5.
Figura 4.5: Fluxo permeado do suco hidrolisado.
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 49
O valor inicial do fluxo para o experimento 3 ficou bastante acima dos demais,
provavelmente resultado de uma compactação incompleta e/ou uma descompactação muito
rápida. Este ponto, para fins de comparação, foi excluído nas próximas análises.
Pela análise desta figura observa-se que o fluxo permeado apresentou uma queda
bastante acentuada nos primeiros minutos de operação, sendo que, após este período,
permaneceu praticamente constante até o final de cada experimento. Os resultados de Youn et
al. (2004), para o suco de maçã, mostram esta mesma tendência do fluxo permeado em
diminuir drásticamente no início da filtração e mais gradualmente ao longo do restante do
processo.
Na microfiltração de suco de abacaxi, Carneiro et al. (2002) mostram que o processo
de filtração pode ser dividido em duas etapas, sendo a primeira caracterizada por uma queda
abrupta do fluxo permeado nos primeiros minutos do processo, seguida de um período no qual
o fluxo permeado decai de forma menos pronunciada, tendendo a uma estabilização. De
acordo com os autores, este comportamento é típico de processos de microfiltração e
ultrafiltração, e pode ser atribuído à formação da camada polarizada de concentração, ao
fouling e ao aumento da concentração de sólidos com o tempo de filtração.
A título de comparação fez-se uma normalização dos dados de fluxo permeado. Esta
normalização consistiu em dividir os fluxos permeado medidos para o suco pelo fluxo
permeado medido para a água destilada antes de iniciar a ultrafiltração. As medidas
consideradas foram realizadas na mesma pressão e temperatura de operação.
Na Figura 4.6 pode-se observar que o fluxo permeado de suco hidrolisado apresenta
uma pequena variação entre os experimentos nos primeiros minutos de filtração. Esta variação
entre os experimentos tende a não haver mais ao longo do tempo, com exceção do
experimento 1.
Observou-se, tanto na filtração do suco hidrolisado quanto na do suco sem hidrólise,
uma variação do fluxo permeado entre os experimentos (Figura 4.7); no entanto, o
comportamento em função do tempo de operação foi similar para todos os experimentos. Esta
diferença entre o fluxo permeado de cada experimento pode ser explicada devido à variação
de viscosidade dos sucos a serem filtrados. A variação da percentagem dos sólidos solúveis de
suco afeta a viscosidade do mesmo e, conseqüentemente, o fluxo permeado de cada
experimento. Adicionalmente nos experimentos de compactação foi observada uma
diminuição do fluxo permeado ao longo do tempo, indicando, desta forma, que a membrana é
altamente compactável. Esta característica da membrana também pode ter influenciado o
comportamento do fluxo permeado ao longo do tempo nos experimentos de ultrafiltração do
suco de laranja.
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 50
Figura 4.6: Fluxo permeado do suco hidrolisado normalizado em relação à permeabilidade
inicial da membrana.
Figura 4.7: Fluxo permeado do suco sem hidrólise.
Na ultrafiltração de suco de kiwi hidrolisado enzimaticamente, Cassano et al. (2006)
indicam que pequenas partículas permaneceram no suco após a hidrólise, as quais foram
responsáveis pelo fouling irreversível durante a ultrafiltração.
Youn et al. (2004) comentam que os pré-tratamentos utilizados, tanto na
microfiltração como na ultrafiltração de suco de maçã, não apresentaram nenhum efeito
4.2 ULTRAFILTRAÇÃO 51
significativo na redução dos valores das razões entre as resistências conforme citado no
Capítulo 2.
A Figura 4.8 mostra, para efeito de comparação, os valores médios dos fluxos
permeado para o suco hidrolisado e para o suco não hidrolisado. Observa-se que o fluxo inicia
em 26 L.m
-2
h
-1
e decai rapidamente nos primeiros 10 minutos e, após, mais suavemente
tendendo para um valor constante entre 12 e 13 L.m
-2
h
-1
. Apesar da viscosidade ter sofrido
alteração com o tratamento enzimático, conforme observado por outros autores, neste trabalho
não foi observada uma melhora no fluxo permeado do suco hidrolisado em relação ao fluxo
permeado do suco sem hidrólise, exceção feita ao valor inicial.
Figura 4.8: Fluxo permeado médio do suco
Uma possível explicação para este comportamento pode ser que: após o tratamento
enzimático as macromoléculas foram hidrolizadas em moléculas menores cujo tamanho pode
estar próximo ao tamanho dos poros da membrana, causando o bloqueio dos mesmos. Outra
possibilidade é que substâncias geradas pela hidrólise podem apresentar uma maior afinidade
com a membrana.
No trabalho de Cassano et al. (2003), na UF de suco de laranja com uma membrana de
massa molar de corte de 15 kDa, temperatura de 21°C, velocidade de escoamento de 0,14m/s
e pressão transmembrana de 85 kPa, o fluxo permeado inicial foi de 20 L.m
-2
.h
-1
.
Neste trabalho, operando o sistema com pressão transmembrana de 250 kPa e
temperatura de alimentação de 25°C, o fluxo permeado inicial médio encontrado para os
quatro experimentos, foi de 26,3 L.h
-1
.m
-2
para o suco hidrolisado e de 19,7 L.h
-1
.m
-2
para o
suco não hidrolisado.
4.3 HIGIENIZAÇÃO DA MEMBRANA 52
Conforme Todisco et al. (1996), durante a microfiltração do suco de laranja com uma
membrana de diâmetro de poro médio igual a 0,3μm, o fluxo permeado decai rapidamente nos
primeiros 20-30 minutos de operação, seguido por um declínio gradual até atingir um valor
limite de, aproximadamente, 5 L.h
-1
.m
-2
.
Este comportamento de queda do fluxo permeado nos primeiros 20-30 minutos de
operação também foi observado nos experimentos realizados neste trabalho, no entanto,
atingiu-se um valor de, aproximadamente, 11 L.h
-1
.m
-2
ao final de duas horas de experimento.
Cassano et al. (2006) observaram que a permeabilidade da membrana decaiu cerca de
30% após a UF de suco de kiwi hidrolisado. Nos experimentos realizados neste trabalho,
observou-se que a permeabilidade da membrana decaiu cerca de 40% após a ultrafiltração do
suco de laranja.
4.3 Higienização da membrana
O fluxo permeado de água destilada através da membrana foi medido, para cada
experimento, antes e após a filtração do suco, assim como após a higienização da membrana.
Como citado no capítulo anterior, a higienização foi realizada pelo sistema de CIP
(clean in place), e consiste de quatro etapas:
• enxágüe com água destilada;
• limpeza com uma solução de detergente alcalino a 2%;
• enxágüe com água destilada;
• sanitização com solução de ácido peracético a 0,5%.
É possóvel observar-se um grande decréscimo do fluxo permeado da membrana após a
filtração do suco hidrolisado e antes da limpeza e higienização (Figura 4.9), resultado
esperado devido ao fouling inerente ao processo. O fluxo permeado médio decaiu cerca de
60% após a filtração do suco de laranja hidrolisado, sendo recuperado após a limpeza da
mesma.
4.4 PASTEURIZAÇÃO 53
Figura 4.9: Fluxo permeado médio de água através da membrana antes e após o uso e após
limpeza e higienização.
Rodrigues et al. (2003) realizaram a limpeza do sistema de microfiltração de suco de
banana através da recirculação de uma solução cloro-alcalina composto por solução aquosa de
NaOH (pH 10) e 0,8% de NaClO durante 2 horas. Segundo os autores, o emprego desta etapa
permitiu a recuperação do fluxo permeado inicial, no entanto, não citaram a percentagem
desta recuperação.
Cassano et al. (2006) observaram que, após a limpeza utilizando detergentes alcalinos
e ácidos, a permeabilidade da membrana apresentou uma boa restauração, 96% da
permeabilidade inicial.
4.4 Pasteurização
As temperaturas de entrada e saída de cada etapa não foram controladas e, desta
forma, obteve-se valores aproximados. Na etapa de aquecimento a temperatura de entrada foi
de ~ 25°C e de saída ~ 87°C. Teoricamente, a temperatura deveria se manter constante ao
longo da serpentina de retenção, mas isso, na prática, não ocorreu. Observou-se que houve
uma perda de calor e a temperatura de saída da etapa de retenção foi de ~ 82°C. No fim da
etapa de resfriamento, a temperatura aproximada do suco foi de 10°C.
4.5 Análise da Membrana através de Microscopia
Eletrônica de Varredura (MEV)
A análise da membrana através de Microscopia Eletrônica de Varredura foi realizada
conforme descrito no Capítulo 3. Na fotomicrografia da seção transversal da membrana de
ultrafiltração utilizada neste trabalho, antes de seu uso, observa-se que a membrana apresenta
uma estrutura esponjosa ao longo de toda a sua espessura, sendo que, próximo à camada
4.5 ANÁLISE DA MEMBRANA ATRAVÉS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)54
seletiva, sua estrutura é mais compactada, diminuindo sua densidade com o afastamento da
mesma (Figura 4.10).
Figura 4.10: Fotomicrografia da seção transversal da membrana utilizada nos experimentos
de ultrafiltração.
A Figura 4.11 apresenta a fotomicrografia do topo da camada seletiva, a qual mostra
os poros da membrana vistos de cima. Com esta imagem, pode-se constatar que os poros da
membrana são irregulares.
Com estas imagens fica claro que esta membrana apresenta uma estrutura assimétrica,
pois sua a parte superior apresenta poros menores que vão aumentando ao longo de sua
espessura, o que, em parte, pode explicar os resultados de compactação e as diferenças na
permeabilidade hidráulica, ainda que a compactação seja mais fortemente influenciada pela
natureza do polímero.
4.6 ANÁLISES FÍSICO-QUÍMICAS 55
Figura 4.11: Fotomicrografia da camada seletiva da membrana utilizada nos experimentos
de ultrafiltração.
.
4.6 Análises físico-químicas
A Figura 4.13 apresenta uma comparação entre os valores de viscosidade para suco
cru, suco hidrolisado, suco concentrado e suco permeado. Observa-se que, para todos os
experimentos, a viscosidade decai na seguinte ordem: cru > hidrolisado antes de ultrafiltrado
> concentrado > permeado. Este resultado indica que a hidrólise continua ocorrendo durante o
processo de ultrafiltração, indicando, desta forma, a existência de uma atividade residual da
enzima, tendo em vista que a mesma não foi inativada após o processo de hidrólise.
Conforme descrito no Capítulo 3, a pasteurização foi realizada apenas nos
experimentos 1 e 2 e, desta forma, não se tem resultados de viscosidade, acidez, °Brix, ratio e
pH para o suco pasteurizado nos experimentos 3 e 4.
Conforme Vaillant et al. (1999), a maior queda da viscosidade do suco de maracujá foi
observada nos 60 minutos de hidrólise antes da microfiltração; no entanto, ao longo do
processo de filtração, a viscosidade continuou sofrendo alterações.
4.6 ANÁLISES FÍSICO-QUÍMICAS 56
Figura 4.12: Gráfico comparativo da viscosidade do suco ao longo do processo de filtração
com pré-tratamento enzimático.
Na Tabela 4.9 pode-se observar que a acidez foi um parâmetro que não apresentou
alteração significativa em relação ao valor do suco cru. Para o suco permeado do experimento
1, a acidez encontrada foi menor que a dos demais sucos, sendo que esta diferença pode ser
atribuída às diferenças em cada lote de suco. O aumento da acidez observado no suco
hidrolisado do experimento 4 também não apresentou repetibilidade, podendo ter sido
causado por erro experimental.
Tabela 4.9: Valores de acidez titulável e °Brix do suco cru, hidrolisado, permeado,
concentrado e pasteurizado para os experimentos de UF.
Experimento 1 2 3 4 1 2 3 4
Amostra de Suco
Acidez* °Brix
Cru
1,01 1,22 0,72 1,00 9,0 9,8 9,5 11,0
Hidrolisado
1,01 1,23 0,75 1,20 9,0 9,9 9,5 11,0
Permeado
0,97 1,22 0,75 1,00 8,5 9,5 9,3 10,8
Concentrado
1,01 1,23 0,75 1,01 9,0 9,9 9,6 11,0
Pasteurizado
1,00 1,23 - - 9,0 9,9 - -
*dada em g de ác. cítrico anidro/100g de suco
Foi observada, nos quatro experimentos, uma diminuição no °Brix do suco permeado
em relação aos demais. Uma vez que o °Brix representa a percentagem de sólidos solúveis,
este resultado está de acordo com o esperado.
Como o ratio é um parâmetro resultante da razão do °Brix pela acidez titulável, seus
valores sofreram alterações para o suco permeado, devido as alterações de valores de °Brix
4.7 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 57
para o suco permeado (Tabela 4.10). O pH, por sua vez, não sofreu alteração significativa em
nenhuma etapa do processo.
Tabela 4.10: Valores de ratio e pH do suco cru, hidrolisado, permeado, concentrado e
pasteurizado para os experimentos de UF.
Experimento 1 2 3 4 1 2 3 4
Amostra de Suco Ratio pH
Cru
8,9 8,0 13,2 11,0 3,38 3,30 3,78 3,59
Hidrolisado
8,9 8,1 12,7 9,2 3,38 3,32 3,77 3,60
Permeado
8,8 7,8 12,4 10,8 3,38 3,30 3,77 3,27
Concentrado
8,9 8,1 12,8 10,9 3,39 3,34 3,78 3,59
Pasteurizado
9,0 8,1 - - 3,42 3,34 - -
*dada em g de ác. cítrico anidro/100g de suco
Determinação qualitativa de atividade da pectinesterase
A pectinesterase é uma enzima encontrada naturalmente na laranja e é a responsável
pela quebra da pectina, processo que faz parte da maturação da fruta e é indesejado no suco já
processado.
A análise para a determinação de atividade da pectinesterase avalia se a enzima
apresenta ou não atividade enzimática, ou seja, se ainda está ativa e capaz de hidrolisar a
pectina existente no suco.
Em ambas as análises de determinação da atividade da pectinesterase no permeado,
não foram detectadas atividade da enzima. Este resultado está de acordo com o obtido por
Silva et al. (1998), onde o permeado da ultrafiltração (membrana com massa molar de corte
igual a 50 kDa) de suco de laranja também não apresentou atividade de pectinesterase.
O referido autor cita, ainda, outros dois trabalhos de ultrafiltração de suco de laranja,
porém com membranas de massa molar de corte iguais a 100 kDa, onde o resultado obtido foi
o mesmo, afirmando que mesmo membranas com massa molar de corte elevadas são
eficientes na retenção desta enzima.
4.7 Análises microbiológicas
As análises microbiológicas foram realizadas com o objetivo de verificar se existe
diferença entre o tempo de vida de prateleira do suco reconstituído (10% de suco permeado +
90% de suco pasteurizado) e do suco pasteurizado (100% de suco pasteurizado).
Conforme descrito no Capítulo 3, estas análises foram feitas para os experimentos 1 e
2, nos quais foi realizada a pasteurização do suco concentrado resultante da ultrafiltração.
4.7 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 58
É importante salientar que todas as amostras foram conservadas em geladeira, na
temperatura de 4 °C (±1°C), somente sendo retiradas no dia da análise.
Para cada experimento (1 e 2) foi realizada uma análise microbiológica do ambiente
do laboratório (Tabela 4.11).
Tabela 4.11: Resultados das análises microbiológicas do ar do laboratório.
Experimento Fungos* Leveduras* Bactérias Mesófilas*
1 1x10
0
0 0
2 9x10
0
0 0
* Unidades Formadoras de Colônias (UFC)
Nas duas análises do ambiente, realizadas nos dias dos experimentos de ultrafiltração
seguida de pasteurização, ocorreram crescimentos de fungos filamentosos. Desta forma,
devido à contaminação cruzada com o meio ambiente, existe a probabilidade que ocorra
crescimento de fungos nas amostras coletadas. A Figura 4.13 mostra a placa de Petri
referente à análise do ambiente para o experimento 2.
Sabendo da possibilidade de contaminação cruzada com o meio ambiente e, com o
intuito de amenizá-la, as amostras de permeado foram coletadas próximas à lamparina (chama
de fogo), conforme descrito no Capítulo 3, para aumentar a segurança e um ambiente livre de
microorganismos.
No entanto, esta precaução não foi o suficiente, pois se verificou o crescimento de
fungos filamentosos em algumas das amostras de permeado e/ou pasteurizado. Observou-se,
também, que este crescimento foi maior para as amostras referentes ao experimento 2, no qual
a análise microbiológica do ambiente apresentou maior contagem de fungos filamentosos
(9x10
0
UFC).
4.7 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 59
Figura 4.13: Placa de Petri, com meio de cultura BDA, após aberta por 10 minutos no
laboratório e incubada em estufa por 5 dias a 35°C.
Os experimentos de análise microbiológica das amostras foram realizadas em
triplicada e o resultado analisado é a média destas triplicadas e estão expressos em Unidades
Formadores de Colônias por mL de amostra (UFC/mL de amostra). A seguir são apresentadas
as tabelas com os resultados das análises microbiológicas.
Na Tabela 4.12 observa-se que, no experimento 1, as amostras do suco pasteurizado
apresentaram uma pequena contagem de fungos filamentosos. O permeado, por sua vez, não
apresentou nenhuma contagem de fungos filamentosos, assim como as análises do suco
reconstituído.
4.7 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 60
Tabela 4.12: Resultados da contagem de fungos filamentosos realizadas para o
experimento 1.
Dias de armazenamento Permeado Suco Pasteurizado Suco Reconstituído
1 0 3,3x10
-1
0
10 0 3,3x10
-1
0
20 0 0 0
30 0 0 0
40 0 3,3x10
-1
0
Na Tabela 4.13 estão apresentados os resultados das análises microbiológicas de
fungos filamentosos realizadas para o experimento 2. Neste experimento, as amostras de
permeado apresentaram contagens de fungos filamentos, sendo que as amostras do suco
pasteurizado não apresentaram fungos. O suco reconstituído apresentou contagem menor ou
igual (no caso do dia 40) do que a observada no permeado.
Tabela 4.13: Resultados da contagem de fungos filamentosos realizadas para o
experimento 2.
Dias de armazenamento Permeado Suco Pasteurizado Suco Reconstituído
1 3,3x10
0
0 3,3x10
-1
10 1x,010
0
0 6,7x10
-1
20 6,7x10
-1
0 0
30 6,7x10
-1
0 3,3x10
-1
40 3,3x10
-1
0 3,3x10
-1
Nas análises de leveduras, o permeado apresentou contagem zero nos dois
experimentos e em todos os dias de armazenamento. Por sua vez, o suco pasteurizado e,
conseqüentemente, o suco reconstituído, apresentaram contagens baixas (Tabela 4.14 e 4.15).
Tabela 4.14: Resultados da contagem de leveduras realizadas para o experimento 1.
Dias de armazenamento Permeado Suco Pasteurizado Suco Reconstituído
1 0 2,0x10
0
3,0 x10
0
10 0 3,3x10
-1
2,0 x10
0
20 0 2,0 x10
0
1,7 x10
0
30 0 6,7x10
-1
0
40 0 0 6,7x10
-1
4.7 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 61
Tabela 4.15: Resultados da contagem de leveduras realizadas para o experimento 2.
Dias de armazenamento Permeado Suco Pasteurizado Suco Reconstituído
1 0 0 0
10 0 3,3.10
-1
0
20 0 0 0
30 0 0 0
40 0 0 0
Apesar das amostras analisadas apresentarem contagens de fungos e leveduras, seus
valores estão dentro dos limites permitidos pela legislação brasileira (Portaria n.° 451, de 19
de setembro de 1997) que vigorou até janeiro de 2001, o qual era de 102 UFC/mL de amostra.
A legislação vigente (RDC n°12 de 02 de janeiro de 2001) determina limites somente para
coliformes (ausência em 25mL).
Nenhuma das amostras analisadas apresentou contagem de bactérias mesófilas
(Tabela 4.16 e 4.17). No entanto, na amostra de permeado do dia 1 do experimento 2, em
uma das placas de Petri com meio de cultura Orange Serum Agar, específico para
crescimento de bactérias mesófilas, houve o crescimento de 2 UFC de fungos filamentosos. O
resultado desta análise é, provavelmente, conseqüência da contaminação cruzada com o ar do
meio ambiente.
Tabela 4.16: Resultados da contagem de bactérias mesófilas realizadas para o
experimento 1.
Dias de armazenamento Permeado Suco Pasteurizado Suco Reconstituído
1 0 0 0
10 0 0 0
20 0 0 0
30 0 0 0
40 0 0 0
Tabela 4.17: Resultados da contagem de bactérias mesófilas realizadas para o
experimento 2.
Dias de armazenamento Permeado Suco Pasteurizado Suco Reconstituído
1 0 0 0
10 0 0 0
20 0 0 0
30 0 0 0
40 0 0 0
Os resultados obtidos, em ambos os experimentos, não demonstram a existência de um
aumento na contagem de colônias ao longo dos dias de armazenamento investigados. Desta
4.7 ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS 62
forma, não foi possível concluir se o procedimento de integração de processos proposto
(ultrafiltração + pasteurização) é capaz de aumentar o tempo de armazenamento do suco
reconstituído em comparação com o do suco pasteurizado. Entretanto, uma vez que não foram
realizadas análises sensoriais das diferentes amostras de suco (em função da pequena
quantidade de amostra), este resultado pode ser conseqüência de um tratamento térmico mais
severo; mesmo assim, ainda é possível que o processo proposto seja conveniente. Caso seja
empregada esta integração de processos, pode-se afirmar que haverá uma redução na
quantidade de suco a ser submetido à pasteurização convencional. Desta forma, custos
relacionadas à energia despendida na pasteurização convencional poderão ser minimizados.
Vale ressaltar que mais experimentos, utilizando outras membranas (matérias e
tamanhos de poros), devem ser realizados para confirmar e até mesmo melhorar os resultados
obtidos no presente trabalho.
Em relação ao suco comercializado pela empresa parceira, a pasteurização
convencional garante um tempo de vida de prateleira de 30 dias sob refrigeração, ainda que,
como margem de segurança, no rótulo do produto conste uma validade de 20 dias. A
comparação dos resultados obtidos neste trabalho com o produto comercial não pôde ser
realizada devido às diferentes condições do processo de pasteurização. Neste trabalho não se
conseguiu reproduzir as condições de operação da pasteurização utilizadas na indústria de
sucos.
Capítulo 5
Conclusões e Sugestões
Neste Capítulo são apresentadas as conclusões obtidas neste estudo e sugestões e para
trabalhos futuros nesta área.
5.1 Conclusões
De acordo com os resultados obtidos e comentados no Capítulo 4, é possível concluir
o que está apresentado a seguir.
• A diminuição da viscosidade durante o processo de hidrólise enzimática ocorre,
basicamente, nos primeiros 15 minutos.
• A enzima Citrozym Cloudy 100-L não apresentou, segundo o Teste de Tukey ao nível de
95% de confiança, resultados significativos na diminuição da viscosidade. Desta forma,
nas condições testadas, a enzima que apresentou melhor desempenho na redução da
viscosidade foi a Pectinex Ultra SP-L.
• Para ambas as enzimas testadas, Citrozym Cloudy 100 L e Pectinex Ultra SP-L, os
parâmetros de acidez titulável, °Brix, ratio e pH não sofreram alterações durante o
processo de hidrólise.
• A membrana de ultrafiltração utilizada apresentou uma elevada compactação, diminuindo
seu fluxo permeado de água cerca de 66% em relação ao fluxo inicial.
• As fotomicrografias obtidas através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
mostraram que a membrana utilizada apresenta estrutura assimétrica, esponjosa e com
distribuição irregular de poros na superfície.
• O comportamento do fluxo permeado do suco em função do tempo foi similar para todos
os experimentos, apesar das variações de valores.
5.2 SUGESTÕES 64
• O fluxo permeado do suco hidrolisado e o do suco não hidrolisado não diferiram em
relação ao comportamento, nem em relação aos valores.
• Através das análises de viscosidade do suco ao longo do processo de ultrafiltração e
pasteurização, verificou-se que a enzima Pectinex Ultra SP-L apresentou atividade
residual.
• Em relação aos parâmetros físico-químicos, somente foram observadas alterações no
°Brix do suco permeado e, conseqüentemente, no ratio.
• Não foi detectada atividade da pectinesterase no suco permeado, confirmando, desta
forma, que a membrana é capaz de retê-la.
• As análises microbiológicas não indicaram diferença significativa entre a vida de
prateleira do suco pasteurizado, nas condições deste trabalho, e do suco reconstituído.
• Existe a viabilidade técnica de integrar processos de separação por membranas (PSM)
com a pasteurização na produção de suco de laranja pronto para o consumo.
5.2 Sugestões
Tendo em vista a continuidade deste trabalho, as seguintes sugestões são apresentadas.
• Testes de hidrólise com outros compostos enzimáticos, variando-se, além de tempo e
temperatura, a concentração dos mesmos.
• Experimentos com membranas cerâmicas de microfiltração e ultrafiltração com diferentes
tamanhos de poro e MMC.
• Estudo e padronização da metodologia de limpeza da membrana.
• Determinação da vida útil da membrana na indústria de suco de laranja.
• Experimentos de pasteurização realizados em equipamento piloto, dotado de controles de
temperatura e tempo de retenção.
• Estudo da viabilidade econômica da integração de PSM com a pasteurização convencional
na produção de suco de laranja pasteurizado, focando-se nos custos relacionados ao
consumo de energia.
• Realização de análises microbiológicas durante um período mais longo.
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Departamento de Ciências Agrárias, Erechim, 2004. 79 p.
SHIGEOKA, D. S., Tratamento térmico mínimo de suco de laranja natural: Estudo da
viabilidade de armazenamento em latas de alumínio. São Paulo, 1999. 55p. Dissertação
(Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de
Engenharia Química.
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sinensis) por osmose inversa. Ciência e Tecnologia de Alimentos, 1998, vol. 18, p. 99-
104.
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orgânica. Engenharia Sanitária e Ambiental, 2005, vol. 10, p. 111-117.
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T
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Pennsylvania: Mack Printing Company, 1961. 1028 p.
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São Paulo. Departamento de Engenharia Química. São Paulo, 2003. 138 p.
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http://www.cetesb.sp.gov.br
ERRO! NENHUM TEXTO COM O ESTILO ESPECIFICADO FOI ENCONTRADO NO DOCUMENTO. 69
YOUN, K. S., HONG, J. H., BAE, D. H., KIM, S. D., Effective clarifying process of
reconstituted apple juice using membrane filtration with filter-aid pretreatment. Journal of
Membrane Science, 2004, vol. 228, p. 179-186.
Apêndice A
Dados Experimentais
Tabela A.1: Medidas do fluxo permeado de água destilada durante a compactação da
membrana para cada experimento.
Tempo de
operação
Fluxo permeado (L/h.m²)
(minutos) Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Exp. 4 Média
0 632,41 909,35 790,51 662,53 748,70
10 354,65 756,97 536,77 450,11 524,63
20 207,38 681,34 446,12 381,49 429,08
30 181,07 616,71 384,41 345,92 382,03
40 157,65 576,83 352,23 310,42 349,28
50 133,70 536,35 322,96 294,83 321,96
60 130,60 496,89 306,05 279,15 303,18
70 127,97 461,00 280,47 263,90 283,34
80 123,23 452,60 256,95 249,83 270,65
90 123,29 429,68 247,33 243,32 260,90
100 122,99 417,06 241,94 233,09 253,77
110 - 395,48 233,00 227,93 285,47
120 - 396,16 230,45 224,04 283,55
130 - 378,07 - - 378,07
140 - 360,25 - - 360,25
150 - 347,31 - - 347,31
160 - 336,23 - - 336,23
170 - 322,21 - - 322,21
180 - 324,46 - - 324,46
190 - 324,46 - - 324,46
200 - 322,66 - - 322,66
210 - 314,35 - - 314,35
220 - 302,85 - - 302,85
Tabela A.2: Medidas do fluxo permeado de água destilada para a determinação da
permeabilidade hidráulica da membrana antes de seu uso.
Pressão
Fluxo permeado (L/h.m²)
(kPa) Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Exp. 4 Média
0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
50 45,85 98,45 87,58 92,45 81,08
100 76,61 178,38 160,86 144,00 139,97
150 100,26 246,89 222,06 187,82 189,26
200 123,17 313,29 267,20 241,36 236,25
APÊNDICE A 71
Tabela A.3: Medidas do fluxo permeado para o suco de laranja hidrolisado
Tempo de operação
Fluxo permeado (L/h.m²)
(minutos) Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Exp. 4 Média
0 12,86 18,69 45,86 27,90 26,33
10 11,50 15,27 20,65 19,11 16,63
20 11,24 14,62 16,29 15,90 14,51
30 10,53 14,07 13,93 14,46 13,25
40 10,41 13,20 12,95 13,36 12,48
50 10,28 13,11 11,94 12,42 11,94
60 10,20 12,82 11,29 11,66 11,49
70 10,01 12,63 10,58 - -
Tabela A.4: Medidas do fluxo permeado para o suco de laranja não hidrolisado
Tempo de operação
Fluxo permeado (L/h.m²)
(minutos) Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Exp. 4 Média
0 15,36 17,96 19,86 25,63 19,70
10 14,54 15,43 17,20 21,17 17,08
20 14,30 14,47 15,50 16,51 15,19
30 13,85 13,60 15,60 13,84 14,22
40 13,51 13,00 14,38 11,71 13,15
50 - 12,77 14,15 11,59 12,84
60 - 11,91 13,59 - 12,75
Apêndice B
Tabela B.1: Composição do meio de cultura Orange Serum Agar
Componente / Propriedade g.L
-1
Triptose 10,0
Extrato de levedura 3,0
Suco de laranja (equivalente em sólidos) 3,5
Glicose 4,0
Fosfato dipotássico 2,5
Agar 14,0
pH 5,5
±
0,2
Fonte: www.oxoid.com
Tabela B.2: Composição do meio de cultura Agar batata
Componente / Característica g.L
-1
Extrato de batata 4,0
Glicose 20,0
Ágar 15,0
pH 5,6
±
0,2
Fonte: www.acumediadcm.com
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