Escola Superior Agrária de Coimbra
Processamento Geral de Alimentos
Janeiro de 2010
Ondas de
Ultra-Sons
Trabalho realizado por:
Ana Santos 20803012
Diana Lourenço 20803024
Sandrina Ferreira 20803035
Neide Pita 20603078
Ana Cabete 3659
Introdução
 História de desenvolvimento das ondas de ultra-sons
 Efeitos que provocam nos alimentos:
•Inactivação microbiana
• Calor e transferência de massa
• Homogeneização
História
1900 – Primeiros Estudos
1920 – Investigação na aplicação na Indústria Alimentar
2000/2001 – Aplicações na Indústria Alimentar
2001 – Desenvolvimento de mecanismos que explicam o
efeito das ondas nos alimentos
Ondas Sonoras
Transmissão do som:
Movimentos ordenados e periódicos das moléculas do meio, com
a energia dinâmica transferida para as moléculas adjacentes sem
transferência de matéria.
Propriedades:
Reflexão, interferência, adsorção, dispersão
Propagação:
Sólidos, líquidos e gases
Ondas Sonoras
http://8b2007.files.wordpress.com/2008/05/ondas1.jpg
Longitudinais
O movimento das
partículas é
perpendicular à
direcção de
propagação da onda
Transversais
O movimento das
partículas é o mesmo que
o movimento da onda
Características das Ondas
Velocidade (c):
Rapidez de propagação de uma onda num meio
c=λxf
Comprimento de onda (λ):
Distância entre as cristas das ondas
http://www.ajc.pt/cienciaj/n33/atomo1.gif
Frequência (f):
Número de cristas de onda que passam por
determinado ponto numa unidade de tempo.
f = 1/T
Amplitude (A):
Altura da onda.
Intensidade (I):
Medida do fluxo de energia acústica através de
uma unidade de área do meio numa unidade de tempo.
Cavitação
 Ocorre em meios líquidos
 Regiões de compressão (pressão positiva) e rarefacção
(pressão negativa).
Rarefacção
Pressão negativa elevada
Formação de cavidade ou bolha
Cavitação
Transitória
A bolha rebenta
devido ao aumento
de tamanho
progressivo
Estável
A bolha não
rebenta,
mantendo o seu
tamanho
Factores que levam à ocorrência de cavitação:
 Frequência de vibração
 Intensidade de vibração
 Viscosidade do solvente
 Tensão superficial e pressão de vapor
 Atenuação de vibração pelo meio
 Presença de bolhas de gás
 Temperatura ambiente
 Pressão
Fluxo de líquido e Movimento de bolhas
A agitação de ultra-sons é utilizada na:
 Transferência de calor e de massa
 Emulsificação
 Limpeza de superfícies
 Degradação de polímeros
Microstreaming ocorre devido ao crescimento e à retracção das bolhas de
cavitação durante os ciclos de rarefacção e compressão.
Cisalhamento
Microstreamers
Bolhas que se movem através do campo acústico:
Anti-nó de pressão
Diâmetro da bolha
inferior ao tamanho da
ressonância
Nó de pressão
Diâmetro da bolha
superior ao tamanho da
ressonância
Tamanho da ressonância determinado por:
• Propriedades do líquido
• Frequência da onda acústica
Quando uma bolha de
cavitação transitória rebenta…
Rápido influxo de líquido
em todas as direcções
Elevado cisalhamento
e choque no líquido
Se a bolha de cavitação
transitória rebentar perto de
uma superfície sólida…
Formação de micro-jacto
Em campos acústicos…
 Movimentos de bolhas ocorrem devido às diferenças
de densidade entre a bolha de gás e o líquido.
Quando a bolha se
forma o gás difunde-se
progressivamente a partir
do meio líquido.
A bolha une-se a outras
bolhas aumentando desta
forma de tamanho até flutuar
para a superfície.
Desgaseificação de Líquidos
Química Sonora
Factores que levam ao desenvolvimento das reacções químicas:
 Formação de radicais livres
 Aumento das taxas de reacção
 Condições de processamento menos extremas
 Facilita o inicio de reacções difíceis
 Reduz o número de etapas de processamento
 Altera o caminho da reacção
 Sonoluminescência,
Cavidade em colapso
Existência de pressões, temperaturas e taxas de arrefecimento extremas,
juntamente com gás/ vapor a partir do meio líquido
Formação de radicais hidroxilo da água, que podem reagir com outras
substâncias químicas no interior da cavidade, ou difundir-se no meio líquido
onde podem reagir com outros compostos
Outras reacções
Existência de compostos voláteis no meio líquido
Difundem-se para a cavidade durante a expansão podendo
sofrer reacções químicas durante o colapso.
No líquido…
O cisalhamento criado pelo colapso da cavidade provoca:
 Rupturas nas cadeias de polímeros,
 Aumenta as taxas de reacção devido a um aumento na
energia cinética das moléculas,
Altera a interacção do solvente.
Instrumentação de
Ultra-Som
Transdutores
Dispositivos que convertem uma forma de energia noutra.
Em ultra-som:
Mecânicos ou Electroacústicos
Energia mecânica ou eléctrica
Som de alta frequência
http://images.google.pt/imgres?imgurl=http://www.tecnomedicao.com.br/transdutores/imagens/transdutores.jpg&imgrefurl=http://www.tecnomedicao.com.br/%3Fp%3Dtransdu
tores&usg=__aRN6AIuZNoMmhoD9asfRWZac1Pg=&h=252&w=336&sz=27&hl=pt-PT&start=14&um=1&tbnid=ff8LwIgkgUBWM:&tbnh=89&tbnw=119&prev=/images%3Fq%3Dtransdutores%2Bultra-som%26hl%3Dpt-PT%26um%3D1
Equipamento de Ultra-Som
Apitos reactores:
Fonte mecânica de som
Flui ao passar uma lâmina de metal
Causa vibração
Vazão de líquido elevada
Gera ultra-som
Cavitação
Homogeneização, emulsificação e dispersão.
Banho de ultra-som :
Banho de metal com um ou mais transdutores fixos às paredes do tanque.
Sistemas de Sonda:
Espécie de megafone de metal junto ao transdutor ultra-som.
Amplificação das vibrações produzidas
Ultra-Sons em Processos Alimentares
 Aplicação como acompanhamento de um processo
ou produto alimentar
 Pode afectar as propriedades dos alimentos
 Uso combinado com outras tecnologias de
processamento para melhorar a eficiência do processo
Tratamento Antimicrobiano

Usado isoladamente ou em combinação
https://idmed1.websiteseguro.com/imagens/imag
e/lavando_pessego.jpg
•
Utilização em produtos alimentares
•
Eliminação de microrganismos contaminantes de alimentos
•
Processamento de superfícies
1. Sensibilidade de diferentes microrganismos
• Destruição de bactérias, esporos, leveduras,
fungos, protozoários e vírus.
http://www.bio.miami.edu/~cmallery/255/255hist/yeast.jpg
• Esporos e alguns vírus são difíceis de inactivar com ultra-som.
• Bactérias Gram-positivas são menos sensíveis ao ultra-som que bactérias Gramnegativas.
2. Eficácia segundo o tratamento antimicrobiano
Destruição da carga microbiana por:
• Tratamento térmico;
• Tratamento de pressão;
• Tratamentos de calor e pressão.
3. Ultra-som combinado com calor e pressão

Aumento da taxa de inactivação microbiana

Limitações do ultra-som combinado com processamento térmico:
•
a sua eficácia diminui com o aumento da temperatura;
•
o aumento da pressão de vapor diminui a tensão superficial do líquido
Redução do efeito de cavitação

A sensibilidade de esporos e bactérias pode aumentar pela combinação de
pressão, temperatura e tratamento de ultra-som.
4. Processamento do Meio
 O aw afecta a eficácia do
ultra-som
Mais eficaz quando aw é maior
 O pH do meio altera o
tratamento com o ultra-som
Diminuição de pH reduzindo a
sobrevivência de bactérias e leveduras
 Aumento de microrganismos
em meio líquido viscoso
Reduz a cavitação
5. Descontaminação de Alimentos
 Frutas e legumes utilizados nalguns tipos de alimentos minimamente
processados podem deteriorar;
 Na lavagem em água deve-se colocar um desinfectante para reduzir a carga
microbiana;
 É difícil encontrar um sanitizante eficaz, pois as bactérias podem ser difíceis
de destruir ;
 Tratamentos químicos e de frequência ultra-som são utilizados na limpeza de
ovos.
6. Descontaminação das Superfícies de Processamento

Limpeza das superfícies de contacto com osalimentos;

Remoção de esporos microbianos em superfícies;

Remoção de contaminação por proteínas nas facas em matadouros;

Utilização do ultra-som na limpeza de moldes de queijos.
A eficácia do ultra-som é afectada pelo:
_Material
_Tratamento
_Tempo
_Tipo de microrganismo.
Melhoria na Transferência de Massa
Secagem
– Remoção de líquidos a partir de um material
 Condições de secagem
 Combinação particular do material
A taxa de secagem depende de:
 Sistema de ultra-som
• Estrutura do material
• Temperatura
• Humidade Relativa
• Ar
• Velocidade
Maior eficácia na combinação de ultra-som e ar de secagem em
temperaturas mais baixas.
Desidratação osmótica
– Imersão de produtos alimentares numa solução concentrada

A água move-se do produto para a solução de alta concentração;

Melhoria do equilíbrio do açúcar, levando à estabilidade da textura e da cor;

Usado como pré-tratamento antes do congelamento ou secagem;
 O tratamento de ultra-som é eficaz no aumento da taxa de desidratação
osmótica.
Salga do queijo
– Aumento da segurança a nível microbiano e maturação do produto.
Métodos usados para melhorar a taxa de penetração de água salgada:
 Agitação
 Saída de vácuo
 Aumento da concentração de salmoura
 Aumento da temperatura de salga
O uso do ultra-som pode afectar:

Formação de aminoácidos livres

Formação de ácidos gordos livres durante a maturação
Diferenças na textura, aroma, odor e sabor do queijo.
Alimentos Curados
– Solubilização parcial das proteínas dos músculos na carne crua

Aumento do rendimento ao cozinhar e manter as partes de carne boas após
o cozimento.

A carne tratada por ultra-som é mais macia e suculenta, com um maior
rendimento de produção

O tratamento de ultra-som afecta a microestrutura do produto
Filtração por Membranas
• Micro-filtração
• Osmose reversa
• Destilação
 Diminuição da taxa de fluxo
_ Acumulação de componentes alimentares sobre os poros
_ Polarização da concentração
Frequência e intensidade de ultra-som

Aplicação intermitente ou contínuo durante a filtração
Condições durante o ciclo de limpeza

Tamanho das partículas coloidais
Cavitação induzida por erosão
Streaming acústico
Microstreaming
Provocam danos na permeabilidade e
na microestrutura da membrana
Melhoria na Transferência de Calor
Congelamento
Vantagens

Diminuição do tempo necessário

Aumento da qualidade dos alimentos
Tamanho dos cristais de gelo ⇒ danos da microestrutura
Desvantagem
 Geração de calor
Ultra-som + Congelamento por imersão
Células hermeticamente embaladas, sem nenhum dano na parede celular
Batata em banho de ultra-som (25 kHz)



7,3 W: sem efeitos significativos
– Baixa intensidade da agitação produzida
– Pequeno aumento na transferência de calor
15,9 W: equilíbrio da transferência de calor entre o meio de
refrigeração e da batata
– Maior agitação
– Maior produção de calor
25,9 W: diminuição do tempo de arrefecimento de 0 a -7 °C
Descongelamento
 Minimizar o tempo de descongelamento e a
formação de pontos quentes nos alimentos
 Manter a qualidade do produto
 Prevenir cozimento parcial
 Prevenir o aumento do crescimento microbiano.
A absorção de energia ultra-som depende de:
_ Relaxamento termo-elástico dos cristais de gelo
_ Orientação e o tamanho destes
_ Impurezas presentes no gelo
_ Temperatura
Cozimento
• Reduz o tempo de cozimento
• Reduzo consumo de energia
• Aumenta o rendimento
 Provoca o empobrecimento do sabor
Ultra-som + Banho de água
 Maior transferência de calor
(aumento do coeficiente de ultra-som e agitação do líquido)
Temperatura uniforme
Processamento das Proteínas dos Alimentos
Produção de efeitos desejáveis ou indesejáveis no produto final por:
•
•
•
•
•
•
aquecimento localizado
formação de micro-jactos
alto cisalhamento
agitação de líquidos
lise da cadeia polimérica
formação de radicais livres
 Desnaturação de proteínas responsáveis por
texturas indesejáveis e mudanças de cor e sabor
 Evitar a perda de actividade das enzimas
Inactivação Enzimática
http://www.tifr.res.in/~bics/bics/images/
GlutPeroxidase-1GP1.png
http://www.ib.unicamp.br/imagens/fosfolipase_A2.jpg
Aumenta a eficácia da inactivação térmica de enzimas
• Plantas
• Tecidos animais
• Microrganismos
http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe3/Glicolitica/bild01.GIF
Temperatura elevada + Ultra-som
• Adição de sais de cálcio ou
de soro protéico hidrolisado
Desnaturação de enzimas
Redução do valor D
_ Composição e pH do meio de tratamento
_ Proteínas vinculadas ou livres
_ Potência e frequência do ultra-som
_ Tempo de exposição
_ Intensidade da cavitação
_ Temperatura e pressão do processo
Alterações da proteína
Mudanças na conformação da proteína
Afecta as características dos produtos fabricados a partir da
matéria-prima processada por ultra-som
Iogurtes
Leite tratado com ultra-som:
Antes da adição da cultura starter:
• fermentação mais lenta
• força de compressão mais elevada
• maior viscosidade
Rápida hidrólise da lactose
(libertação de -galactosidase)
Ultra-som como auxílio ao Processamento
Aumento da eficiência dos processos enzimáticos:
• reforço da esterificação da glicose
• hidrólise do azeite
• proteólise da caseína por -quimotripsina
http://www.frm.utn.edu.ar/cmateriales/Trab.%20Inves.%28al
um%29/Soldadura%20por%20ultrasonido/sonotrodo8.jpg
• hidrólise -amilase e glicoamilase do amido
• hidrólise -amilase do glicogénio
_ Aumenta a taxa e a extensão da
hidrólise da lactose;
Hidrólise da lactose no leite
(Lactobacillus bulgaricus)
_ Níveis significativamente mais
elevados de glicose residual
no leite;
_ Consumo da glicose pelas
bactérias.
Homogeneização e Emulsificação
 Distribuição uniforme das partículas
• Homogeneizar os glóbulos de gordura
• Melhorar a viscosidade e reduzir a sinérese
Oxidação
Contaminação
Off-flavor
 Mistura de componentes imiscíveis
Colapso das bolhas de cavitação
_ Sonotrodo
_ Apito reactor
Tenderização da carne
Factores que influenciam a maciez da carne:
• Características do animal
• Manipulação do animal antes do abate
• Manipulação da carcaça
Aumento da firmeza
Ultra-som (2,4 MHz)
Proteólise por libertação de catepsina
Menor conteúdo total e solúvel de colagénio
 Quebra de sarcómeros e rompimento miofibrilar
_ Concentração de colagénio
_ Diferenças na distribuição do tecido conjuntivo