Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.5, n.2, p.173-178, 2003
ISSN:1517-8595
173
COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE SUCO DE LARANJA CONCENTRADO
CONGELADO
Ivanise Guilherme Branco 1, Carlos Alberto Gasparetto 2
RESUMO
A tecnologia de fabricação de suco de laranja concentrado vem se transformando através dos
tempos. Apesar desse desenvolvimento tecnológico, algumas operações unitárias existentes no
processo do suco de laranja concentrado precisam ainda ser otimizadas e entendido com maiores
detalhes em função do comportamento reológico. Neste trabalho foi caracterizado
reologicamente o suco de laranja concentrado utilizando o reômetro de cilindros concêntricos
com sistema "Searle". Na descrição deste comportamento foi utilizado o modelo de Casson, o
qual apresenta o termo tensão inicial. As características reológicas do suco de laranja
concentrado foram determinadas em seis diferentes temperaturas: 0,5; 4,8; 7,0; 9,7; 13,4 e
19,4 oC. O comportamento foi, em todos os casos, dependente do tempo. Os reogramas
ascendentes e descendentes correspondentes apresentam uma curva de histerese com
comportamento tixotrópico. Pôde-se verificar que o teor de água congelada do suco de laranja
concentrado afeta acentuadamente a tixotropia do suco.
Palavras-chave: suco de laranja, comportamento reológico, tensão inicial, tixotropia, modelo
de Casson.
RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF FROZEN CONCENTRATED ORANGE JUICE
ABSTRACT
The production for concentrated orange juice is changing through the years. Despite
technological development, some unit operations of the process need to be othimized and
understood in more details as regarded of flow behaviour. In this work concentrated orange
juice was rheologically characterized a Searle System coaxial cylinder viscometer. The Casson
model was used for the behaviour description thus which exhibiting a the yield stress parameter.
Rheological characterization were carried out at six different temperatures: -0,5, -4,8, -7,0, -9,7,
-13,7 and -19,4 oC. The behaviour in all cases is time dependent. The increasing and descending
rheograms exhibit hysteresis loop with thixotropic behaviour. The results show that frozen
water fraction affects strongly concentrated orange juice thixotropy.
Keywords: orange juice, rheological behaviour, yield stress, thixotropy, Casson model.
________________________
Protocolo
1
Professora do Departamento de Engenharia de Alimentos, UNICENTRO, CP 3010, CEP 85040-080, Guarapuava- PR, Tel
(0xx42) 6291444, Email: ivanise @unicentro.br
2
Professor FEA- UNICAMP, CP 6121, CEP 13083-970, Campinas- SP, Tel (0xx19) 37884057, email: [email protected]
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Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto
INTRODUÇÃO
O estudo do comportamento reológico
dependente do tempo do suco de laranja é de
grande interesse tecnológico e comercial,
principalmente para estabelecer condições de
processamento, projetos de equipamentos
envolvidos com as operações unitárias
relacionadas com transferência de calor, massa
e quantidade de movimento, além do
desenvolvimento de novos produtos.
Suco de laranja concentrado, devido à
sua estrutura física e composição, apresenta
características não-newtonianas geralmente
pseudoplásticas, tensão residual e dependência
do tempo. Esta dependencia do tempo tem sido
pouco estudada e necessita, para sua
quantificação, de reômetro com algum tipo de
registrador.
Nos
fluidos
tixotrópicos
o
comportamento reológico se define em função
de três variáveis: tensão de cisalhamento, taxa
de deformação e tempo. Os reogramas
característicos para estes fluidos são os que
relacionam tensão de cisalhamento com taxa de
deformação e os que relacionam tensão de
cisalhamento ou viscosidade aparente com o
tempo à uma taxa de deformação constante.
A área definida pelas curvas ascendentes
e descendentes do reograma de um fluido
dependente do tempo, segundo (Halmos e Tiu,
1981), representa a quantidade de energia
necessária para elimimar a influência do tempo
e caracteriza o grau de quebra da estrutura
interna ocorrida no produto (Weltmann, 1943),
ou seja, se a quebra estrutural ocorre, as curvas
não coincidem criando o ciclo de histerese. Este
método, do estudo do ciclo de histerese, tem a
desvantagem de não se fixar o tempo de
cisalhamento e nem a máxima taxa de
deformação, tornando-se difícil a comparação
dos dados com de outros pesquisadores (Figoni
e Shoemaker, 1981).Van Wazer et alii (1963),
descreveram outro método no qual o ciclo de
histerese não depende da taxa de deformação e
do tempo de cisalhamento aplicado. Ele
consiste em cisalhar a amostra para distintas
taxas de deformação até alcançar o equilíbrio. A
área entre as curvas não depende das condições
de medida. Este procedimento é mais adequado
que o citado anteriomente, porém tem como
desvantagem a necessidade de se dispor de uma
grande quantidade de amostra já que para cada
taxa de deformação utiliza-se uma amostra não
cisalhada anteriormente.
As mudanças estruturais que ocorrem sob
ação do cisalhamento são explicadas pela teoria
geral dos sistemas dispersos (Costell e Durán,
1978a), devido ao fato do suco de laranja
concentrado congelado ser uma suspensão de
partículas sólidas e glóbulos de óleo em uma
solução líquida complexa - soro- contendo
componentes de baixa massa molecular como
açúcares, ácidos, sais e também polímeros
como a pectina (Vitali, 1983). A aplicação de
forças de cisalhamento na estrutura dessas
partículas produz a redução do seu tamanho e
portanto, a redução da viscosidade aparente do
produto (Telis e Gasparetto, 1993). Se a
modificação estrutural provocada por essa força
for instantânea e não detectável, o escoamento é
não-Newtoniano independente do tempo
(pseudoplástico ou dilatante) e quando
contrário, ou seja, modificação lenta e
observável, há dependencia do tempo
(tixotrópico, antitixotrópico ou reopético),
segundo Telis et al. (1991).
Cheng e Evans (1975) mostram três tipos
distintos de mudança estrutural causada pelo
cisalhamento: 1- a estrutura rompe-se durante o
cisalhamento e recupera-se posteriormente no
período de repouso (tixotropia); 2- durante o
cisalhamento a estrutura
regenera-se e
desintegra-se durante o repouso (antitixotropia
e tixotropia negativa) e 3- a estrutura rompe-se
a elevadas velocidades de cisalhamento mas a
recuperação é acelerada em baixas taxas de
deformação e a estrutura assim formada é
estável no repouso (reopexia).
Scott-Blair (1969) argumentou que para
um fluido ser definido como tixotrópico, este
deve regenerar totalmente sua estrutura quando
deixado em repouso, após cisalhado. Segundo
Costell e Durán (1978a), esta definição foi
ampliada já que é utilizada inclusive nos casos
em que se observa uma mudança estrutural
irreversível (reodestruição).
Segundo Sherman (1970) o termo
tixotropia é usado para descrever uma transição
estrutural reversível a qual é associada a um
aumento na tensão de cisalhamento, seguida de
uma redução até o valor original.
MATERIAL E MÉTODOS
Material
Foi utilizado suco de laranja concentrado
e congelado, o qual foi fornecido pela citrícula
CITROVITA, instalada em Catanduva (S. P.),
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.5, n.2, p.173-178, 2003
Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto
o
possuindo concentração de 64.2 Brix e teor de
polpa de 10%.
Métodos
Na determinação dos dados reológicos,
foi utilizado um reômetro de cilindros
concêntricos, tipo "Searle", marca Rheotest 2.1.
Esse equipamento possui um dispositivo que
permite a variação da velocidade de rotação do
cilindro interno de 0,028 a 243 rpm. As análises
foram realizadas nas temperaturas de -0.5, -4.8,
-7.0, -9.7, -13.4 e 19.4 oC. A temperatura da
amostra foi mantida constante por meio de um
banho termostático.
O comportamento reológico foi descrito
através do modelo desenvolvido por Casson
(1959). Este modelo (Equação 1) foi
desenvolvido para uma suspensão de partículas
interagindo em um meio Newtoniano.
1/2
=Ko+Kc
1/2
(1)
em que,
= Tensão de Cisalhamento (Pa) 1/2;
= Taxa de deformação (s -1);
Kc = Viscosidade plástica de Casson (Pa*s) 1/2;
Ko = Tensão inicial (Pa) 1/2.
Os valores de torques obtidos no
registrador, a cada valor de rpm correspondente,
foram convertidos em tensão de cisalhamento e
a taxa de deformação foi calculada usando o
método de Krieger e Elrold (1953). As curvas
dos reogramas ascendentes, descendentes e
médias foram ajustadas ao modelo de Casson.
Os parâmetros do modelo de Casson foram
determinados através de regressão linear
utilizando o software Origin. O teor de sólidos
totais foi medido utilizando um refratômetro de
bancada e o conteúdo de polpa suspensa foi
determinado por centrifugação.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Parâmetros do modelo de Casson
Foi calculado o valor da tensão residual
das curvas ascendentes (asc), descendentes
175
(des) e médias (Tabela 1) e verificou-se que
esta diminui com o aumento da temperatura,
assim como a viscosidade plástica de Casson. O
ajuste do modelo de Casson, utilizado na
caracterização reológica das curvas ascendentes
e descendentes, evidencia a presença do efeito
tixotrópico pela diferença nos parâmetros K o e
Kc. O parâmetro K o é menor na curva
descendente do que na ascendente e aumenta
com a redução da temperatura. Para a
viscosidade plástica de Casson K c, ocorre
aumento do parâmetro com a redução de
temperatura e, em relação às curvas ascendentes
e descendentes, verifica-se que praticamente
não houve alteração deste parâmetro. Os
coeficientes de correlação para análise de
regressão foram sempre superiores a 0.99.
Análise da Tixotropia
Nos
reogramas
de
tensão
de
cisalhamento e taxa de deformação, nas
diferentes temperaturas de congelamento,
verifica-se um lóbulo de histerese, indicando a
dependência do tempo e caracterizando o
material como tixotrópico.
Na medida em que se diminuiu a
temperatura, maior foi o efeito da
tixotropicidade do suco de laranja concentrado
congelado, como pode ser mostrado
qualitativamente pela Figura 1 e 2, ou
quantitativamente pela Tabela 1. Nas maiores
temperaturas a área formada pelas curvas foi
menor o que indica que aumentando-se a
temperatura a tixotropia do produto diminuiu.
Estes resultados são concordantes com os
obtidos por Alvarez (1989) para leite
condensado.
Para Oriol e Pascual (1974), as curvas do
lóbulo de histerese devem passar pela origem
para que se considere o fluido tixotrópico.
Neste trabalho as medidas no reômetro não têm
confiabilidade nas menores taxas de
deformação e isso levou à existência da tensão
inicial quando se fez o ajuste do modelo de
comportamento reológico. Na verdade, a
diferença na tensão inicial e no índice de
consistência, para as curvas ascendentes e
descendentes, conforme Tabela 1, é que
evidencia a tixotropia.
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Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto
Tabela 1 - Parametros do modelo de Casson
Média
T oC
Ko(Pa) 1/2 Kc(Pa*s)1/2
R
-19,4
-19,4
-13,7
-13,7
-9,7
-9,7
-7,0
-7,0
-4,8
-4,8
-0,5
-0,5
5,046
3,323
0,99
4,818
3,144
0,99
3,853
2,067
0,99
3,736
2,065
0,99
3,621
1,962
0,99
3,259
1,657
0,99
Asc
Des
Asc
Des
Asc
Des
Asc
Des
Asc
Des
Asc
Des
Ascendentes/ descendentes
Ko(Pa) 1/2
Kc (Pa*s)1/2
4,9083
3,8166
4,8055
3,6376
4,2831
3,1515
4,0968
3,1444
4,0240
3,1864
3,6579
2,9563
3,5224
3,5088
3,2240
3,4062
1,9468
2,0369
1,9442
2,0406
1,8131
1,8796
1,4983
1,5462
R
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
Tensão de Cisalhamento (Pa)
600
ASC
500
T= -19,4 oC
DESC
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
Taxa de Deformação (1/s)
Tensão de Cisalhamento (Pa)
500
ASC
400
T= -13,7 oC
DESC
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
Taxa de Deformação (1/s)
Figura 1
Relação entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação para suco de laranja
concentrado nas temperaturas de 19,4 e 13,7 oC
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Comportamento reológico de suco de laranja concentrado congelado, Branco e Gasparetto
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Tensão de Cisalhamento (Pa)
500
ASC T= -9,7 oC
DESC
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
80
100
Taxa de Deformação (1/s)
Tensão de Cisalhamento (Pa)
500
ASC
DESC
400
T= -7,0 o C
300
200
100
0
0
20
40
60
Taxa de Deform ação (1/s)
Figura 2
Relação entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação para suco de laranja
concentrado nas temperaturas de 9,7 e 7,0 oC
CONCLUSÕES
Pela análise qualitativa fica evidente
que a temperatura exerce uma grande
influência sobre a tixotropia. Ao se aumentar a
temperatura ocorre redução do lóbulo de
histerese.
Através da curva de histerese construida
entre tensão de cisalhamento e taxa de
deformação, verificou-se que o suco de laranja
apresenta comportamento tixotrópico em todas
temperaturas analisadas e que quanto menor a
temperatura (maior teor de água congelada)
maior é a tixotropicidade do produto. Portanto
conclui-se que a temperatura e o teor de água
congelada tem grande influência na tixotropia,
sem no entanto ter sido possível uma
correlação para esta dependência.
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