Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.8, n.1, p.35-42, 2006
ISSN 1517-8595
35
CINÉTICA DA PRODUÇÃO DO FERMENTADO DO FRUTO DO MANDACARU
Mércia Melo de Almeida1, Daniela Passos Simões de Almeida Tavares2, Líbia de Sousa
Conrado Oliveira3, Flávio Luiz Honorato da Silva3
RESUMO
O mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) é um fruto típico da região semi-árida do Nordeste
brasileiro. A produção de fermentado (vinho) de mandacaru é uma forma de minimizar as
perdas pós-colheita desses frutos. Tendo em vista que o fruto apresenta características químicas
adequadas para a produção de etanol, observou-se a necessidade de fazer um estudo cinético da
fermentação alcoólica na produção da bebida fermentada. O fermentado de mandacaru foi
produzido em reator batelada (duplicata), na temperatura de 30 ± 2ºC. Os parâmetros cinéticos
obtidos foram: YP/S, rendimento e produtividade de 0,461, 90,2 % e 1,75 g/L.h, respectivamente.
Os resultados das análises físico-químicas: açúcar residual, acidez total, ºGL (%v/v) e pH do
fermentado mostraram que seus valores estão de acordo com a legislação brasileira acerca de
vinho de frutas.
Palavras-chave: Cereus jamacaru, vinho, fermentação alcoólica, caracterização físico-química
KINETICS OF MANDACARU FRUIT WINE PRODUCTION
ABSTRACT
Cereus jamacaru P. DC. is a typical fruit of Northeast Brazilian region. The production of
mandacaru wine is a way to minimize the post-harvest fruits losses. From the point of view that
the fruit presents adequate chemical characteristics for the ethanol production, the necessity to
make a kinetic study of the alcoholic fermentation in the production of the wine was observed.
The wine was produced in a stirred batch reactor, at the temperature of 30 ± 2 ºC. The following
kinetic parameters were obtained: YP/S, yield and the productivity were 0.461, 90.2% and 1.75
g/Lh respectively. The results of physical-chemical analyses: residual sugars, total acidity, ºGL
(%v/v) and pH of wine showed that their valeus were within the standard limits established by
the Brazilian legislation for fruit wines.
Keywords: Cereus jamacaru, wine, alcoholic fermentation, physical-chemical characterization
INTRODUÇÃO
O mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) é
uma cactácea típica da região Nordeste do
Brasil (Caatinga). De acordo com Rocha &
Agra (2002), o tamanho do fruto varia de 10-13
x 5-9 cm, ovóide, sucosa; epicarpos glabros,
róseos
a
vermelho;
polpa
funicular,
mucilaginosa, branca; sementes pretas variando
de 1,5 – 2,5 mm de comprimento. Estudos
realizados por Almeida et al. (2005)
verificaram que esta fruta apresenta grande
potencial de aproveitamento industrial, por
apresentar teores relativamente elevados de
sólidos solúveis totais (SST) e açúcares
redutores (AR), constituintes importantes em
processos biotecnológicos (p.ex. fermentação
alcoólica).
_____________________
Protocolo 862 de 12/06/2006
1
Aluna de Doutorado em Engenharia de Processos, UFCG, E-mail: [email protected]
Aluna de Graduação em Engenharia Química , UFPB, E-mail: [email protected]
3
Professores Dr. do Departamento de Engenharia Química, UFCG, Av. Aprígio Veloso 882 CEP 58.109-970, Campina Grande, Paraíba, Email: [email protected] e [email protected]
2
36
Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru
Não há relatos de aproveitamento desses
frutos, ocorrendo assim, grande desperdício dos
mesmos em sua safra (fevereiro a setembro).
Araújo & Silva (1995) comentam que os
índices de perdas pós-colheita são preocupantes
e refletem negativamente na economia de
algumas regiões do Brasil, e ainda acrescentam
que cerca de 50% da produção de frutos
tropicais não são aproveitados. Portanto, a
aplicação de processos biotecnológicos na
produção de fermentado (vinho) do fruto de
mandacaru (Cereus jamacaru P. DC.) é uma
forma alternativa de minimizar essas perdas, e
tem como finalidade principal reduzir o
desperdício do fruto através de um
aproveitamento racional, uma vez que não se
encontram na literatura estudos com este
propósito. De acordo com a legislação brasileira
(Brasil, 1997; Torres Neto et al., 2006), o
fermentado de fruta é uma bebida com
graduação alcoólica de quatro a quatorze por
cento em volume, a vinte graus Celsius, obtida
da fermentação alcoólica do mosto de fruta sã,
fresca e madura. Pelo fato do mandacaru
apresentar características químicas adequadas
para a produção de etanol, surgiu à necessidade
de fazer um estudo cinético da fermentação
alcoólica dessa produção.
A análise de componentes como etanol,
acidez total, açúcares residuais e pH são de vital
importância para verificar se as características
do produto estão dentro das especificações
estabelecidas pela legislação brasileira (Garruti,
2001).
De acordo com a legislação brasileira
(BRASIL, 1997), a concentração máxima de
metanol permitida nos vinhos de mesa é de 0,5
g/100mL de álcool anidro, visto que o metanol
é tóxico aos seres humanos, e pode provocar,
quando consumido com concentrações acima
do permitido, a queda do pH do sangue do
consumidor afetando o sistema respiratório, e
conseqüentemente levar a cegueira e/ou até a
morte.
Os vinhos ou fermentados de frutas são
divididos em três classes no que se refere à
quantidade de açúcares residuais. A primeira
classe apresenta os vinhos do tipo seco, com até
5 g/L de açúcares totais, a segunda entre 5,1 e
20 g/L são do tipo meio seco e a terceira e
última é a classe dos vinhos suaves ou doces
com mais de 20,1 g/L (Rizzon et al., 1994).
A acidez total expressa em ácido acético,
é a acidez titulável que determina a quantidade
das funções ácidas livres presentes no suco ou
no vinho, e é a soma da acidez volátil e acidez
fixa. A legislação brasileira (BRASIL, 1997)
Almeida et al.
exige que, para os fermentados de frutas, os
teores de acidez total estejam compreendidos na
faixa de 3,3 a 7,8g/L (55 a 130 meq/L). O ácido
acético é o principal ácido orgânico excretado
no meio em fermentação, sendo expresso em
acidez volátil (Rizzon, 1994).
Geralmente, o fermentado de fruta
apresenta pH variando entre 3,0 e 4,0. A análise
de pH facilita na avaliação da resistência do
produto à infecção bacteriana. O pH igual a 3,4
é o ideal para que o produto aumente a
resistência às infecções (Hashizume, 2001).
Este trabalho teve o objetivo de realizar o
estudo cinético da fermentação alcoólica na
produção do fermentado de fruto do mandacaru.
MATERIAIS E MÉTODOS
Matéria-prima e caracterização
Os frutos do mandacaru (Cereus
jamacaru P. DC.) foram provenientes de
plantações extensivas localizadas às margens
da BR-104 que dá acesso a cidade de
Queimadas, a 19Km de Campina Grande.
Foram utilizados frutos no estádio maduro,
onde passaram por uma seleção visando
eliminar os frutos defeituosos e machucados,
para não comprometer o processo fermentativo.
Os frutos foram imersos em água clorada na
concentração de 20ppm durante 15 minutos, e
em seguida foi feita uma nova lavagem em água
corrente visando eliminar os resíduos de cloro.
Depois de cortados, a polpa e as sementes
foram separadas por meio de filtragem em
tecido de algodão bastante limpo, obtendo-se a
polpa livre de fibras e sementes. Após a
filtragem, a polpa foi acondicionada em sacos
plásticos e estocados a -18°C.
Para a caracterização e preparo do mosto,
a polpa foi descongelada e caracterizada (em
triplicata), quanto ao teor de açúcares redutores
totais, pelo método de DNS (ácido 3,5-dinitro
salicílico), segundo Miller modificado (1959);
Umidade, cinzas, pH, sólidos solúveis totais
(°Brix) e acidez titulável segundo as
metodologias descritas pelas Normas do
Instituto Adolfo Lutz (1985).
Etapas da elaboração da bebida fermentada
Clarificação e filtração do suco
Após o descongelamento da polpa, fez-se
a clarificação da mesma com solução de
gelatina a 10% (comercial, incolor e inodora),
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Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru
Almeida et al.
37
numa proporção de 10 mL/litro de suco,
adicionando-a ao suco e homogeneizando. Em
seguida, o mosto foi colocado em geladeira por
um período de 12 horas. Posteriormente, fez-se
uma nova filtração através de tecidos de
algodão, obtendo-se um mosto clarificado e
com um aspecto mais límpido. A clarificação
consiste na remoção da pectina que é um
polissacarídeo presente em vários frutos de
origem tropical, que durante o processo
fermentativo pode dar origem ao metanol que é
uma substância altamente tóxica.
até que o °Brix chegasse próximo de zero.
Posteriormente, adicionaram-se os 70g/L
restantes de sacarose (segunda chaptalização)
iniciando a segunda etapa da fermentação,
fazendo-se novamente o controle de todas as
variáveis observadas na primeira etapa até que
o valor do °Brix ficasse constante. A finalidade
de produzir um fermentado do tipo seco é pelo
fato de sua utilização posteriormente na
produção de vinagre (fermentação acética).
Sulfitação
Terminada a segunda etapa de
fermentação alcoólica, iniciou-se a clarificação
gradativa do vinho, através de trasfegas. A
primeira trasfega foi realizada logo após o final
da fermentação. Depois de 30 dias fez-se uma
segunda trasfega. A trasfega consiste na
remoção das partículas sólidas em suspensão,
que caso não sejam removidas, podem dar
origem a produtos de odor desagradável, como
H2S ou mercaptana, os quais depreciam o vinho
(Borzani et al., 1983).
Engarrafou-se o fermentado em garrafas
de 1L apropriadas para vinhos, de vidro verde
escuro e rolhas de cortiça e em seguida
pasteurizou-se as garrafas. A pasteurização foi
realizada em água previamente aquecida a uma
temperatura de 65ºC durante 30 minutos.
Seguido de choque térmico, em água corrente.
Terminado o processo de pasteurização, as
garrafas foram armazenadas em ambiente
fresco.
Utilizou-se o metabissulfito de potássio
(K2S2O5), numa concentração de 3 gramas para
cada 10 litros de suco clarificado, tendo a
finalidade de fazer a desinfecção do suco e
conseqüentemente evitar a proliferação de
microrganismos indesejáveis.
Chaptalização
A chaptalização, com uma concentração
de 100g de sacarose/L de suco, foi dividida em
duas etapas: 30g/L no início da fermentação e
70g/L na segunda etapa. Consiste em adicionar
sacarose ao mosto para atingir uma graduação
alcoólica desejada.
Microrganismo utilizado
O microrganismo utilizado no processo
fermentativo foi a levedura Saccharomyces
cerevisiae (fermento biológico comercial,
marca Fleischmann, 70% de umidade), onde foi
adicionado inicialmente ao mosto uma
concentração de 3 g/L (massa seca).
Fermentação alcoólica
Terminada a preparação do mosto,
iniciou-se a primeira etapa da fermentação
alcoólica que foi conduzida em reator batelada,
em duas repetições, em recipientes de plástico
com capacidade de 10L. O volume de mosto a
fermentar foi de 5 litros, a temperatura de 30 ±
2ºC. Durante a primeira fase da fermentação
alcoólica realizou-se a cada 2 horas o controle
das seguintes variáveis: concentração de
açúcares redutores totais (ART) pelo método de
DNS (ácido 3,5-dinitro salicílico), segundo
Miller modificado (1959); sólidos solúveis
totais por refratometria, temperatura; pH, por
potenciometria; teor alcoólico (ebuliômetro) e
acidez total, por titulometria com NaOH 0,1N,
Trasfega, engarrafamento e pasteurização
Cálculo do rendimento, produtividade e dos
parâmetros cinéticos da fermentação alcoólica
O rendimento (%) e a produtividade
(g/L.h) para a produção de bebida fermentada
do fruto do mandacaru, foram calculados pelas
Equações 1 e 2.
Q EXP
x 100(%)
Q TEO
Q
Produtivid ade (g/L.h)  EXP
t
Rendimento (%) 
(1)
(2)
onde:
QEXP = Concentração de etanol experimental =
0,7895(g/mL)×(°GL/100)×1000(mL/L);
QTEO =Concentração de etanol teórico =
Quantidade de açúcares consumidos×0,511;
t = Tempo de fermentação (h);
Através da Equação 3 foi calculado o
parâmetro cinético Yp/s:
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Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru
38
YP/S 
P  P0
S0  S
distintas, onde foi adicionado 30g/L de sacarose
no início da fermentação (primeira etapa) e
70g/L na segunda etapa. Analisando a Figura 1
verifica-se que houve uma redução lenta na
concentração de ART nas primeiras 4 horas da
fermentação alcoólica, tornando-se mais rápida
ao longo do tempo, atingindo um nível de
0,21% de ART com 16 horas de fermentação
em decorrência do consumo do substrato pelo
microrganismo, em paralelo houve um aumento
na concentração de etanol chegando a 61,27 g/L
(7,76% v/v). O teor de sólidos solúveis totais,
constituído em sua maioria por açúcares
redutores totais, decresceu em função do
consumo dos açúcares pelos microrganismos,
apresentando um perfil semelhante ao
decréscimo dos açúcares redutores totais. Nesta
fase da fermentação (16h) verificou-se que o
teor de sólidos solúveis totais estava constante
(Tabela 1) e a fermentação tinha cessado, logo
foi adicionado os 70g/L de sacarose ao mosto
(segunda chaptalização) o que ocasionou um
aumento na concentração de ART. Silva (1998)
comenta que a chaptalização feita em duas
etapas é uma prática realizada para minimizar a
inibição do microrganismo pelo substrato. A
concentração de ART começou novamente a
decrescer com o tempo de fermentação, fato
este ocasionado pela ação da levedura,
verificando-se uma redução de 94% de ART ao
completar 27 horas de fermentação. Nesta fase
da fermentação, a concentração de etanol já
atingia o pico máximo, 82,11 g/L, que
corresponde a 10,4 % em volume, a 20 ºC.
Constata-se ainda, que no final da fermentação
o °Brix permaneceu constante (5,5),
provavelmente, pela presença de açúcares
infermentescíveis no suco de mandacaru.
(3)
onde:
S = concentração final de substrato (g/L);
S0 = concentração inicial de substrato (g/L);
P = concentração final de produto (g/L);
P0 = concentração inicial de produto (g/L);
Yp/s (rendimento em produto) = quantidade de
produto formado em relação à quantidade de
substrato limitante consumido.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Caracterização da polpa do mandacaru
A polpa in natura apresentou uma
concentração de sólidos solúveis totais de
11ºBrix, que correspondente a 9,82g/L de
açúcares redutores totais. No entanto, foi
necessário adicionar sacarose ao mosto para que
a bebida fermentada obtida apresentasse uma
graduação alcoólica mais elevada. O pH de 4,1
apresentado pela polpa é adequado para a
fermentação alcoólica e está de acordo com a
faixa de pH ótimo que deve está entre 4 a 4,5
para conduzir uma boa fermentação (Lopes et
al., 2006), não sendo necessário fazer a
correção do mesmo.
Fermentação alcoólica
Durante o processo fermentativo foi
observado o comportamento cinético das
concentrações de açúcares redutores totais
(substrato), sólidos solúveis totais (SST) e
produto (etanol) em função do tempo de
fermentação (Figura 1). Pode-se observar que a
fermentação alcoólica ocorreu em duas etapas
14
Etanol, ART, SST (%, g/L, °Brix)
Almeida et al.
Etanol (g/L)
Açúcares redutores totais (g/L)
Sólidos solúveis totais (°Brix)
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
Tempo (h)
Figura 1 – Perfil cinético da produção de etanol, consumo de açúcares redutores totais e sólidos
solúveis totais durante a fermentação alcoólica.
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Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru
A Figura 2 mostra as variações de pH e
acidez total durante o processo fermentativo.
Pode-se constatar que o pH decresceu de 4,57
para 3,85 nas primeiras 12 horas, tornando-se
praticamente constante até o final da
Almeida et al.
39
fermentação, em contrapartida, a formação de
ácidos foi crescente até o final da fermentação,
mas ficou estável das 8 às 20 horas de
fermentação.
Tabela 1 – Resultados das determinações analíticas realizadas durante o processo fermentativo
T
Acidez
Etanol
(h) pH
(%) °Brix (%) ART(g/L)
0 4,57 0,17 13,00 0,00
11,98
2 4,45 0,19 12,90 0,51
11,50
4 4,36 0,21 12,00 1,60
11,06
6 4,27 0,23 11,25 2,65
9,56
8 4,09 0,27 10,00 3,88
7,19
10 3,97 0,26 8,00 6,25
4,96
12 3,85 0,26 6,00 8,14
2,33
14 3,89 0,27 4,00 7,76
0,52
16 3,95 0,23 4,00 7,76
0,21
18 3,85 0,27 10,5 7,76
6,33
20 3,84 0,27 9,25 7,76
4,62
23 3,86 0,33 7,00 7,76
2,68
27 3,82 0,30 5,55 10,40
0,38
31 3,89 0,29 5,55 10,40
0,33
47 3,89 0,30 5,55 10,40
0,27
indesejáveis. Comportamentos semelhantes na
acidez e pH durante o processo fermentativo
também foram verificadas por Bortolini et al.
(2001), Andrade et al. (2003) e Torres Neto et
al. (2006). É importante ressaltar que a variação
na acidez durante a fermentação tem grande
influência na estabilidade e coloração das
bebidas fermentadas (Rizzon et al., 1994).
4,6
0,34
4,5
0,32
0,30
4,4
0,28
pH
4,3
0,26
pH
Acidez
4,2
0,24
4,1
0,22
4,0
Acidez total (g/100mL)
O aumento da acidez total e
conseqüentemente a redução no pH ao longo do
processo fermentativo (Figura 2) são
decorrentes da produção de ácidos orgânicos,
como ácido lático, acético e succínico, Borzani
et al. (1983). Verificando-se ainda que a faixa
de pH (3,89 a 4,57) durante o processo de
fermentação foi suficiente para permitir uma
rápida fermentação alcoólica e inibir bactérias
0,20
3,9
0,18
3,8
0,16
0
10
20
30
40
50
Tempo (h)
Figura 2 - Variação do pH e da concentração de acidez total (g/100mL de ácido acético), em função
do tempo de fermentação.
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Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru
Os
resultados
do
rendimento,
produtividade da bebida fermentada (vinho) do
fruto do mandacaru e o parâmetro cinético
Yp/s podem ser observados na Tabela 2.
Analisando os dados obtidos, pode-se
constatar que o rendimento (90,2%) e a
produtividade (1,75 g/L.h) apresentaram
valores bem próximos aos encontrados por
Bortolini et al. (2001) que obtiveram
rendimentos de 75,6-92,4% e produtividades
de 0,74-2 g/L.h quando estudaram a
fermentação alcoólica do kiwi. Silva (2004)
verificou rendimento e produtividade de
Almeida et al.
55,67% e 0,78g/L.h, respectivamente, quando
produziram fermentado de caju. O rendimento
em produto deste trabalho foi de 0,461g/g,
sendo este valor superior ao encontrado por
Silva (2004) que obteve 0,3 e bem próximo ao
de Andrietta & Stupiello (1990) que
verificaram valores de Yp/s = 0,445 ao
estudarem a fermentação alcoólica do caldo de
cana. As variações observadas nos parâmetros
cinéticos por várias pesquisas podem ser
atribuídas a vários fatores como: cepa de
levedura, operação do reator, temperatura e
substrato.
Tabela 2 - Valores experimentais da produção da bebida fermentada (vinho) do fruto do mandacaru
Valores
Parâmetros
experimentais
Rendimento (%)
90,2
Produtividade (g/L.h)
1,75
Yp/s (g/g)
0,461
Caracterização físico-química
fermentada de mandacaru
da
bebida
A composição química da bebida
fermentada de mandacaru pode ser observada
na Tabela 3.
O teor residual de açúcares redutores
totais e a graduação alcoólica de 82,11g/L
(10,4% v/v) classificam a bebida como vinho
seco. O teor alcoólico da bebida fermentada de
mandacaru está de acordo com as
especificações exigidas pela legislação
brasileira de bebidas (Brasil, 1997). A bebida
fermentada apresentou valores de açúcares
redutores totais, sólidos solúveis, etanol e
acidez total inferiores à bebida do fruto da
pupunha obtida por Andrade et al. (2003) que
foi de 1,01g/L; 7,25°Brix; 95,2g/L e 6,4g/L,
respectivamente. No entanto, Lopes et al.
(2005) estudando a produção do fermentado do
fruto da palma forrageira obtiveram um valor
médio de etanol de 6,05% (v/v), valor inferior
ao obtido nesse trabalho. O pH de 3,91,
observado no fermentado de mandacaru,
confere a bebida uma maior resistência às
infecções bacterianas. A acidez total da bebida
teve seu valor duplicado, quando comparado
ao início da fermentação, o que revela que não
houve produção excessiva de ácidos orgânicos.
Tabela 3 – Resultados das análises físico-químicas da bebida fermentada
Parâmetros analisados
Açúcares redutores totais (g/L)
Sólidos solúveis (°Brix)
Etanol (g/L); ºGL (%v/v)
pH
Acidez total (%ácido acético)
Média
0,04
5,5
82,11; 10,4
3,91
0,24
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Cinética da produção do fermentado do fruto do mandacaru
CONCLUSÕES




A levedura comercial (Saccharomyces
cerevisiae) utilizada como inóculo foi
eficiente na conversão da sacarose em
etanol.
O processo de fermentação alcoólica
operou numa ótima faixa de pH.
Os
parâmetros
de
rendimento,
produtividade e YP/S obtidos confirmam que
a levedura de panificação utilizada
apresentou bom desempenho no processo
de fermentação alcoólica.
A bebida fermentada produzida apresentou
uma concentração de etanol dentro da faixa
determinada pela legislação brasileira.
Almeida et al.
41
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