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Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Title: Avaliação da pasteurização contínua da polpa de açaí sobre a inativação térmica das enzimas peroxidase e polifenoloxidase: estudo experimental e simulação em CFD
Alternate title (s): Evaluation of continuous pasteurization of açaí-berry pulp on thermal inactivation of the enzymes peroxidase and polyphenoloxidase: experimental and CFD study
Author: Costa, Henrique Coutinho de Barcelos
First Advisor: Vieira, Luiz Gustavo Martins
First coorientator: Silva, Danylo de Oliveira
First member of the Committee: Duarte, Claudio Roberto
Second member of the Committee: Ribeiro, Eloízio Júlio
Third member of the Committee: Arouca, Fábio de Oliveira
Fourth member of the Committee: Gut, Jorge Andrey Wilhelms
Fifth member of the Committee: Taham, Thiago
Summary: O açaí é um fruto proveniente da palmeira Euterpe oleracea Martius, nativa da região amazônica, que apresenta diversas propriedades funcionais, nutricionais e elevado valor energético. Apesar de inúmeras pesquisas científicas relacionarem o consumo regular de açaí com diversos benefícios à saúde, as atuais práticas de produção da polpa em condições higiênico-sanitárias insatisfatórias têm preocupado os órgãos de saúde pública, uma vez que surtos recentes do Mal de Chagas podem estar relacionados ao consumo de açaí contaminado com o microrganismo transmissor da doença. A pasteurização do produto visa à destruição de microrganismos transmissores de diversas doenças, entre as quais, o Mal de Chagas, e além disso inativa enzimas que causam alterações sensoriais indesejáveis. Dentre estas enzimas, a peroxidase (POD) e polifenoloxidase (PPO) oxidam diversos compostos orgânicos, produzindo substâncias escuras, que prejudicam a cor e o sabor da polpa. Uma vez que são mais termorresistentes que a maioria dos microrganismos presentes, a inativação de peroxidase e polifenoloxidase garante um produto com boa qualidade microbiológica. Diante disto, este trabalho é direcionado ao estudo do processo de pasteurização contínua da polpa de açaí. Primeiramente são apresentados os métodos e os resultados de determinação do comportamento reológico e das propriedades físicas densidade, coeficiente de expansão térmico-volumétrico, calor específico, condutividade térmica e difusividade térmica do açaí. Posteriormente, apresentam-se os estudos cinéticos de degradação térmica de antocianinas e das enzimas peroxidase e polifenoloxidase. As antocianinas seguiram uma cinética de degradação de primeira ordem e mostraram boa estabilidade térmica, com tempos de meia-vida entre 10,7 a 28,6 horas para a faixa de temperatura de 40 a 80°C, sendo portanto, resistentes aos processos de pasteurização convencionais que utilizam temperaturas de aproximadamente 80 a 90°C por 1 a 10 minutos. As cinéticas de inativação da POD e PPO foram representadas de acordo com o modelo de primeira ordem contendo duas isoenzimas com diferentes estabilidades térmicas. A peroxidase apresentou maior resistência a temperaturas de pasteurização, tendo sidos estimados os parâmetros de redução decimal, D1 = 7,10 s e D2 = 254 s para as isoformas menos termorresistente e mais termorresistente, respectivamente, a uma temperatura de referência de 89°C. Os parâmetros Z1 e Z2 foram estimados em 4,3°C e 2,4°C, respectivamente. A fluidodinâmica computacional foi aplicada na simulação numérica do processo de pasteurização contínua em um pasteurizador de escala de laboratório, dotado de um trocador de calor a placas (TCP) contendo as seções de aquecimento e resfriamento do produto, intercalados por um tubo de retenção. Distribuições de temperatura e atividade residual da peroxidase foram obtidos para escoamento contracorrente em série e em série-paralelo nos TCP para até quatro diferentes vazões de polpa de açaí (15, 20, 25 e 30 L/h). Ensaios também foram conduzidos em um pasteurizador experimental e os resultados foram comparados. Os dados da distribuição de temperatura obtidos experimentalmente foram melhor representados para as simulações com escoamento em série. No entanto, os resultados da atividade residual da POD obtidos nos ensaios experimentais divergiram razoavelmente dos obtidos por CFD. O tratamento térmico contínuo comprovou os resultados dos ensaios cinéticos das enzimas, tendo sido observado maior estabilidade da peroxidase em relação à polifenoloxidase. O processo foi mais eficiente quando realizado com escoamento em série. Nesta condição, quando a polpa de açaí foi experimentalmente processada a 15 L/h, 89,9% da POD foi inativada. A simulação numérica nesta condição mostrou uma redução de mais de 99,9% da atividade desta enzima.
Abstract: Açai-berry is a fruit from Euterpe oleracea Martius palm tree, native from the Amazon, and it is known to feature several functional properties and have high energetic and nutritional value. Despite many scientific studies have shown that regular consumption of açai may provide health benefits, current bad manufacturing practices during its pulp extraction processing have warned the public health agencies, mainly because current outbreaks of Chagas Disease may be related to the consumption of açai contaminated with the microorganism that transmits this illness. A suitable pasteurization of this açai pulp destroys the microorganisms that transmit several diseases, including Chagas and also, inactivates enzymes that cause undesirable changes in sensory aspects. Among these enzymes, peroxidase (POD) and polyphenoloxidase (PPO) reacts with many organic compounds, producing dark-brown substances, which spoils the colour and flavor of the pulp. Once the heat resistance of these enzymes is higher than the resistance of most vegetative cells of microorganisms, inactivating peroxidase and polyphenoloxidase assure a product with good microbiological quality. Based on it, this work is focused on the study of the pasteurization process of açai-berry pulp. Firstly, the methods and results of determination of rheological behavior and physical properties, density, volumetric thermal expansion coefficient, specific heat, thermal conductivity and thermal diffusivity of açai are shown. Afterward, the kinetics study of thermal degradation of anthocyanin and the enzymes peroxidase and polyphenoloxidase is presented. Anthocyanin followed a first-order kinetic degradation and showed good thermal stability, presenting half-life times between 10.7 to 28.6 hours for the temperature range from 40 to 80°C. Therefore, they are stable against conventional pasteurization processes, which applies temperatures from about 80 to 90°C during 1 to 10 minutes. Thermal inactivation of enzymes POD and PPO were represented according to the first-order kinetic model, considering that there are two different enzyme fractions with different thermal stabilities. Among the two enzymes, peroxidase has shown higher resistance against pasteurization temperatures, and decimal reduction parameters were estimated in D1 = 7.10 s and D2 = 254 s for the thermolabile and thermostable fractions, respectively, at a reference temperature of 89°C. Parameters Z1 and Z2 were estimate as 4.3°C and 2.4°C, respectively. Computational fluid dynamics was applied in the numerical simulation of the continuous pasteurization process in a lab-scale pasteurizer, containing a plate heat exchanger (PHE) with a heating and cooling sections, separated by a holding tube. Distributions of temperature and residual activity of peroxidase were obtained for a series and series-parallel flows in the PHE for up to four açai pulp flow-rates (15, 20, 25 and 30 L/h). Tests were also carried out in an experimental pasteurizer and the results were compared. Experimental data of temperature distribution were better represented by the CFD simulations for the series-flow. Nevertheless, the experimental results of the residual activity of POD diverged from those achieved by CFD. The continuous thermal processing of açai pulp confirmed the results obtained in the kinetics experiments of enzyme degradations, showing that the thermal stability of peroxidase is higher than polyphenoloxidase. Pasteurization was more effective when the pulp was processed in a series-flow arrangement. In this situation, when açai pulp was experimentally processed at 15 L/h, 89.9% of POD was inactivated. CFD simulations of these conditions showed a reduction in more than 99.9% of this enzyme activity.
Keywords: Euterpe oleracea
POD
PPO
Fluidodinâmica computacional
Computational fluid dynamics
HTST
Engenharia Química
Chemical Engineering
Açaizeiro
Açai palm tree
Peroxidase
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::CIENCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS::ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: COSTA, Henrique Coutinho de Barcelos. Avaliação da pasteurização contínua da polpa de açaí sobre a inativação térmica das enzimas peroxidase e polifenoloxidase: estudo experimental e simulação em CFD. 2019. 201 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.320
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.320
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/24659
Date of defense: 5-Feb-2019
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