Análise numérica e experimental da secagem osmo-convectiva do Yacon (smallanthus sonchifolius)

Abstract

Resumo: O consumo do yacon (Smallanthus sonchifolius) tem aumentado em decorrência da comprovação científica de suas atividades prebiótica e antioxidante e de seu baixo valor calórico. Considerando que sua vida útil é muito reduzida em condições ambientes, métodos de desidratação têm sido empregados a fim de extendê-la. Este trabalho analisa numérica e experimentalmente a secagem osmo-convectiva de raízes de yacon. Fatias de yacon com espessura de 2 mm foram submetidas ao tratamento osmótico por 2 horas em solução de sucralose 20% (m/m) e proporção entre yacon e solução de 1:5 (m/m). Em seguida, foram desidratadas por 3 horas em um secador de bandejas com ventilação forçada. Os experimentos, realizados em triplicata, seguiram um planejamento fatorial completo 23. Testou-se a influência de dois níveis de agitação (0 cm/s e 4 cm/s) e de temperatura (30oC e 50oC) para a desidratação osmótica, e de dois níveis de temperatura (60oC e 80oC) para a etapa de secagem convectiva nos seguintes parâmetros de qualidade do produto final: conteúdo de umidade, concentração de sólidos solúveis, luminosidade e mudança de cor. Durante o processo, também foram determinadas as variações de temperatura, atividade de água, diâmetro, absorção de sucralose e composição centesimal. As condições de processamento influenciaram estatisticamente nos parâmetros de qualidade do produto final, assim como na absorção de sucralose e no encolhimento. Por meio do processo de secagem osmo-convectiva, foi possível obter fatias de yacon com baixa atividade de água e atributos sensoriais atrativos para o consumidor. A aplicação do tratamento osmótico reduziu os graus de escurecimento e de encolhimento e os danos estruturais, tais como distorção angular a aparecimento de fissuras, das fatias submetidas à secagem convectiva. A análise numérica das transferências e calor e de massa em regime transiente foi realizada por meio do Método dos Elementos Finitos, baseada na solução bidimensional das Leis de Fourier e Fick, utilizando-se o software COMSOL Multiphysics® versão 4.1. As propriedades termofísicas do yacon, requeridas na modelagem, foram obtidas por meio de correlações que se baseiam na composição centesimal do produto e/ou através de medição direta. Com base nos resultados experimentais, foram obtidos modelos empíricos para a predição das propriedades massa específica, calor específico e condutividade térmica do yacon, baseando-se no conteúdo de umidade do produto. Os resultados numéricos para as variações de umidade e temperatura e para a absorção de sucralose foram comparados com os dados experimentais, obtendo-se concordância satisfatória (R2>0,94).

Abstract: The consumption of yacon (Smallanthus sonchifolius) has increased due to its cientifically proven prebiotic and antioxidant activities and its low caloric value. Whereas its shelf-life is very low at ambient conditions, dehydration methods have been employed to extend it. This work analyzes numerical and experimentally the osmo-convective drying of yacon roots. Slices of yacon with a width of 2 mm were submitted to the osmotic treatment during 2 hours in a 20% (w/w) sucralose solution with a 1:5 (w/w) proportion between product and solution. The slices were then dehydrated in a tray dryer with forced ventilation. The experiments, carried out in triplicate, followed a complete 23 factorial design. The influence of two levels of stirring (0 cm/s and 4 cm/s) and temperature (30oC and 50oC) for the osmotic treatment, and of two levels of temperature (60oC and 80oC) for the convective drying was tested on the final product quality parameters, namely moisture content, soluble solids concentration, luminosity and color change. During the process, several determinations were also conducted, such as the variations of temperature, water activity, diameter, sucralose uptake and centesimal composition. The process conditions statistically influenced on the final product quality parameters and also on the sucralose uptake and shrinkage. Using the osmo-convective drying process, it was feasible to obtain yacon slices with low water activity and attractive sensorial attributes. The application of the osmotic treatment before the convective drying provided quality gains to the final product, such as low browning and shrinkage rates and reduction of the structural damages towards angular distortions and fissures. The numerical analysis of the heat and mass transfer problem in transient state was conducted using the Finite Element Method, basing on the 2D solution of the Fourier and Fick Laws, using the software COMSOL Multiphysics® version 4.1. The thermophysical properties of yacon, required in the modeling, were obtained through correlations based on the product centesimal composition and/or through direct measurement. Basing on the experimental results, empirical models were obtained in order to predict specific mass, specific heat and thermal conductivity of yacon in function of its moisture content. A satisfactory concordance (R2>0.94) between numerical and experimental results for the variations of temperature and moisture and sucralose uptake was verified.