Radiações Não-ionizantes

Jhonatas Ribeiro Márcio Zago

Universidade Federal de Goiás.Escola de Agronomia e Engenharia

de Alimentos.Programa de Pós-Graduação em

Ciência e Tecnologia de Alimentos -

PPGCTA.

Métodos de conservação de alimentos:Micro-ondas, Infravermelho , Ultravioleta e

luz de alta intensidade.

Radiações Eletromagnéticas na Indústria Alimentícia

As radiações eletromagnéticas são transmitidas em forma de onda, sem necessidade de suporte material e a uma velocidade de 3 x 108 ms-1;

Dependendo da energia associada, do comprimento de onda e da frequência de emissão, o efeito decorrente de sua interação com determinado material é muito diferente;

Na Tecnologia de Alimentos, impõe-se a diferenciação entre tratamentos com radiações ionizantes e aquelas com radiações não-ionizantes.

Figura 1 – Particularidades e aplicação das radiações eletromagnéticas na indústria alimentícia (Ordónez, 2007).

Radiações Não-ionizantes

O tratamento com radiações não-ionizantes refere-se ao emprego de diferentes formas de energia eletromagnética;

Esse tipo de radiação é absorvida pelos tecidos biológicos sem ionizar átomos ou moléculas. Entretanto, modifica a energia vibracional e rotacional das moléculas biológicas, levando a dissipação de energia na forma de calor;

Constituem a base de vários sistemas de aquecimento.

Figura 1 – Particularidades e aplicação das radiações eletromagnéticas na indústria alimentícia (Ordónez, 2007).

Figura 1 – Particularidades e aplicação das radiações eletromagnéticas na indústria alimentícia (Ordónez, 2007).

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Objetivo da Aplicação

O emprego da radiação não-ionizante, sob o ponto de vista técnico, satisfaz plenamente o objetivo de proporcionar aos alimentos, estabilidade nutritiva, condições de sanidade e de mais longo período de

armazenamento.

Micro-ondas No espectro eletromagnético, as micro-ondas situam-se

entre as ondas de rádio e a radiação infravermelha, e caracterizam-se por ter frequência de emissão compreendida entre 300MHz e 300GHz, comprimento de onda no intervalo de 2210 a 1,4 cm e energia associada de 1,2x10-12 a 1,2x10-7.

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Figura 2 – Aplicação das radiações não-ionizantes na indústria alimentícia (Ordónez, 2007).

Micro-ondasMicro-ondas

Alimentos

(dipolos da molécula de água e alguns componentes iônicos tentam se orientar no campo)

Oscilação do campo elétrico

(dipolos tentam de alinhar repetidamente a estas inversões)

Energia das micro-ondas CALOR.

(ORDÓNEZ et al., 2005).

Micro-ondas Por conta de seu amplo uso doméstico, algumas noções

populares indicam que o aquecimento por micro-ondas aquece o alimento “de dentro para fora”:

O que de fato ocorre é que as partes externas do alimento recebem o mesmo nível de energia que as internas, mas a superfície perde calor para o ambiente por meio do resfriamento evaporativo, o que faz com que o leigo chegue a essa conclusão equivocada (FELLOWS, 2000).

Figura 3Fonte: Google imagens

Micro-ondas Os equipamentos de micro-ondas consistem:

Gerador de micro-ondas (chamado de magnetron);

Tubos de alumínio - chamados de condutores de ondas;

Câmara metálica para operações por batelada ou um túnel com esteira transportadora para operação contínua.

Micro-ondas

Figura 4 - Forno de micro-ondas doméstico (BUFFLER, 1993).

Micro-ondas

Figura 4 - Forno de micro-ondas doméstico.Fonte: Google imagens.

Micro-ondas

Figura 5 - Forno de micro-ondas industrial de operação contínua (vista externa e interna) (VEJA-MERCADO et al., 2001)

Micro-ondas Na geração de calor por micro-ondas nos alimentos,

distinguem-se fundamentalmente dois mecanismos: Condução iônica:

No primeiro caso, os íons presentes nos alimentos se deslocarão conforme a direção do campo elétrico alternativo que se segue à interação da radiação micro-onda. Durante seu deslocamento, esses íons colidirão com moléculas vizinhas, transmitindo-lhes energia cinética, aumentando seu movimento e, finalmente, gerando calor. Dessa forma, a condutividade elétrica do material influi na absorção das micro-ondas.

Figura 6.1 – Condução iônica (ÓRDÓNEZ, 2007)

Micro-ondas Rotação de dipolos:

No segundo caso, a rotação dos dipolos gera choques e fricção molecular que, assim como no caso anterior, a energia cinética e a temperatura.

Figura 6.2 – Rotação de dipolos(ÓRDÓNEZ, 2007)

Micro-ondas Além da água, existem outros componentes dos alimentos

com os quais as micro-ondas podem interagir por rotação de dipolos, tais como:

Álcoois;

Açúcares.

A geração de calor nos alimentos com umidade muito baixa depende da interação das micro-ondas com os lipídeos e os sólidos coloidais.

Micro-ondas Fatores que influem no aquecimento por micro-ondas:

Propriedades das micro-ondas:- Frequência e potência;

Propriedades dos alimentos:- Propriedades dielétricas (Tabela 1), composição química e temperatura;

Propriedades geométricas:- Tamanho e forma;

Propriedades físicas:- Calor específico, condutividade térmica, viscosidade e porosidade.

Micro-ondas

(FELOWS, 2006)

Tabela 1 - Propriedades dielétricas de materiais a 20 a 25oC, a 2450MHz

Micro-ondas

(GIESE, 1992)

Tabela 2 – Aplicações das micro-ondas na indústria alimentícia

Micro-ondas Uma das maiores vantagens no uso das micro-ondas em

alimentos é em relação a preservação da composição química destes;

KUMAR e AALBERSBERG (2006) compararam a composição química de alguns alimentos tratados por métodos convencionais de cocção e por micro-ondas e concluíram que o teor de carboidratos, gorduras, cinzas, fibras e proteínas se mantiveram na mesma proporção no produto cru em relação ao alimento cozido quando empregado o aquecimento por micro-ondas. Acentuada perda de água foi notada em todos os processos (Tabela 3).

Micro-ondas

E/oven – Cocção em forno a lenha; M/wave – forno de micro-ondas; O/roast - forno convencional

Tabela 3 – Composição química de carnes inteiras tratadas por diferentes tratamentos de cocção

Micro-ondas

Embora o aquecimento seja um processo fundamental na indústria alimentícia e as micro-ondas ofereçam certas vantagens, até o momento, seu êxito nesse

campo não se compara ao obtido no âmbito doméstico e nos restaurantes coletivos. Entretanto, o

emprego de micro-ondas em grande escala está aumentando rapidamente, entre outras coisas, graças às recentes melhorias no desenho de sistemas micro-ondas de grande potência e à redução do custo dos

equipamentos.

Infravermelho A radiação infravermelha produz determinada

vibração nas ligações intra e intermoleculares dos alimentos que se traduz no incremento da temperatura;

A capacidade de penetração dessa radiação é pequena; por isso, seu efeito limita-se à superfície, enquanto o restante dos alimentos é aquecido por condução ou convecção (ORDÓÑEZ et al. 2005).

Infravermelho A radiação infravermelha, como outras formas

de transmissão de calor, pode ser utilizada para estender a vida útil dos alimentos, destruindo enzimas e microrganismos e reduzindo, em certo grau a atividade de água;

Essa forma de aquecimento também permite modificar as características sensoriais dos alimentos, com possibilidade de melhorar sua palatabilidade e criar diferentes sabores, aromas e texturas.

Infravermelho

?

Figura 7 – Aplicação das radiações não-ionizantes na indústria alimentícia (Ordónez, 2007).

Infravermelho A energia infravermelha é uma radiação eletromagnética

emitida por objetos quentes (FELLOWS, 2006). Quando ela é absorvida, a radiação transfere sua energia para aquecer os materiais;

A taxa de transferência do calor depende:

Das temperaturas das superfícies dos materiais que aquecem e que recebem calor;

Das propriedades das superfícies dos dois materiais;

Das formas dos corpos que emitem e recebem.

Infravermelho O comprimento de onda da radiação infravermelha é

determinado pela temperatura da fonte de radiação. Quanto mais ela é elevada, mais curto é o comprimento de onda da radiação e maior sua capacidade de penetração;

Dentro do espectro infravermelho, distinguem-se: o infravermelho curto (NIR, near-infrared), com

comprimento de onda entre 0,78 e 1,4µm; o infravermelho médio (MIR, mid-infrared), incluído

no intervalo de 1,4 a 3 µm; o infravermelho longo (FIR, far-infrared), entre 3 e

1000 µm.

(ORDÓÑEZ et al. 2005).

Infravermelho

No aquecimento de alimentos, somente comprimento de onda de até 50 µm tem importância prática. Tanto a água como os

sistemas aquosos absorvem melhor comprimento de onda próximo a 1 µm.

Figura 8 – Espectro Infravermelho.Fonte: Google imagens.

Infravermelho Os equipamentos industriais são compostos de túneis

por onde os alimentos passam sob conjuntos de aquecedores radiantes, sendo transportados por correia transportadora. Todavia, esse tipo de energia não é amplamente usado como a única fonte de energia para a secagem de peças maiores de alimentos, por conta da limitação da profundidade de penetração;

A energia radiante também é usada em secadores de esteira a vácuo e secadores de cabines em liofilizadores acelerados e em alguns fornos de micro-ondas, além de encolher termicamente filmes de embalagens.

Infravermelho

Figura 9 – Aparelho infravermelho elétricoFonte: Google imagens.

Infravermelho A absorção em infravermelho caracteriza-se por sua

pouca penetração, por isso há aquecimento rápido da superfície do alimento;

A transmissão de calor para o centro do alimento ocorre por condução, sendo, portanto um processo lento. Essas condições levam a evaporação da água da camada externa; consequentemente, a diminuição de sua umidade relativa cria um gradiente de pressão de vapor que favorece a passagem da água do interior do alimento à sua superfície;

A velocidade de evaporação depende das características do alimento tratado e da velocidade de aquecimento.

Infravermelho Se o processo se realiza a pressão atmosférica e se a

superfície se mantém saturada de umidade, a temperatura não ultrapassa 100oC;

Quando a velocidade em que a água é eliminada da superfície supera a da sua migração do interior do alimento, a frente de evaporação aprofunda-se, a superfície desseca e superaquece, de forma que a temperatura acaba se igualando com a do ar circundante;

Na superfície, aparece uma crosta, por coagulação, degradação e pirólise parcial das proteínas, e no caso dos cereais e derivados, por gelatinização, desidratação e mudança na textura granular do amido.

Infravermelho A obstrução rápida da estrutura externa confere a essa

zona caráter impermeável que permite reter a água e as substâncias voláteis, fazendo com que os alimentos tornem-se mais suculentos e aromáticos.

Figura 10 – Culinária japonesa.Fonte: Restaurante japonês Haná – Brasília/DF. Disponível em: <www.restaurantehana.com.br/>

Infravermelho Em alguns casos, é necessário retardar a desidratação da

camada superficial, o que pode ser conseguido combinando-se o aquecimento na fase inicial com a injeção de vapor d’água.

Figura 10 – Panificados.Fonte: Google imagens.

Infravermelho Dentre as vantagens que podem ser descritas pelo uso do

infravermelho estão a modificação da superfície do alimentos, dando um aspecto de produto tostado e crocante; inativação de enzimas e microrganismos sem que haja um aumento significativo na temperatura do alimento, preservando a sua estrutura e menor tempo de processamento.

Métodos convencionais de pasteurização requerem longos tempos de aquecimento levando a perda de qualidade dos produtos. Aquecimento por energia eletromagnética tem sido aplicado em diversos alimentos e obtido larga vantagem em relação aos métodos tradicionais.

Infravermelho Um exemplo prático da aplicação do processamento

por infravermelho é a pasteurização na superfície de alimentos já que, como foi visto, o poder de penetração por esta técnica é limitado:

Salsichas do tipo frankfurter foram contaminadas com Listeria monocytogenes. O grau de inativação deste patógeno pela técnica de infravermelho foi então analisado (HUANG, 2004).

InfravermelhoAs temperaturas na superfície das salsichas foram aumentadas da temperatura de refrigeração até temperaturas de 70, 75, 80 e 85oC,

alcançando reduções significativas em relação ao controle:

Figura 11 – A sobrevivência de L. monocytogenes em salsichasobservado durante a pasteurização por processo de infravermelho.

Infravermelho e Micro-ondas

Experimentos empregando micro-ondas, infravermelho e a combinação dos dois métodos juntos foram realizados por SUMNU et al., (2005);

O estudo mostrou que a técnica de micro-ondas junto com o infravermelho possibilitou contornar as dificuldades encontradas quando se empregam as micro-ondas sozinhas, como por exemplo: falta de cor, elevada perda de peso, textura rígida e baixo volume;

Como o assamento por micro-ondas é mais rápido do que por infravermelho, e não há formação de casca (como é o caso do aquecimento IV) a perda de umidade se torna maior, reduzindo o rendimento do produto.

Infravermelho

Figura 12 – Acompanhamento da perda de peso de pão durante o assamento por diferentes métodos. (∆) Micro-ondas com 50% de potência; (♦) radiação infravermelha e micro-ondas

com 50% de potência; (□) radiação infravermelha e micro-ondas com 70% de potência.

Infravermelho

Figura 13 – Acompanhamento da mudança de cor de bolo durante o assamento por diferentes métodos. (∆) Micro-ondas com 50% de potência; (♦) radiação infravermelha e micro-ondas

com 50% de potência; (□) radiação infravermelha e micro-ondas com 70% de potência.

Infravermelho

Figura 14 – Acompanhamento da mudança de volume específico de bolo durante o assamento por diferentes métodos. (∆) Micro-ondas com 50% de potência; (♦) radiação

infravermelha e micro-ondas com 50% de potência; (□) radiação infravermelha e micro-ondas com 70% de potência.

InfravermelhoVÍDEO

Ultravioleta Denomina-se irradiação ao processo de aplicação de

energia radiante a um alvo qualquer, como por exemplo, um alimento ou a uma embalagem;

A radiação UV é gerada pela passagem de descargas elétricas através de vapor de mercúrio a baixa pressão dentro de tubos de vidros especiais, conhecidos comercialmente como lâmpadas germicidas.

Figura 15 – Bolo/ultravioleta.Fonte: Google imagens.

Ultravioleta O tratamento por radiação ultravioleta tem um longo e

eficiente histórico no controle microbiológico do ar. Em aplicações como tratamento de bebidas e superfícies ele tem se destacado, embora para superfícies de alimentos o seu uso vise a extensão da vida útil do produto;

A radiação ultravioleta tem efeito microbicida se for utilizada com intensidade e tempo de exposição suficiente, encontrando aplicações diversas como: na esterilização do ar; superfícies de equipamentos; superfícies de alimentos; na esterilização de embalagens;

Ultravioleta Os raios UV na faixa de 210 a 330 nanômetros são mais

eficientes como germicidas por serem absorvidos pelas proteínas e ácidos nucleicos, provocando o rompimento do cromossomo , mutações genéticas e inativação de enzimas e, consequentemente, a morte da célula.

Figura 16 – Espectro UltravioletaFonte: Google imagens.

Ultravioleta Existe a seguinte correlação entre comprimento

de onda UV e sua efetividade como microbicida:

QUANTO MENOR O COMPRIMENTO DE ONDA DO RAIO ULTRAVIOLETA

MAIOR O PODER DE PENETRAÇÃO NAS CÉLULAS E ASSIM MELHOR SERÁ O

RESULTADO OBTIDO COMO A ESTERILIZAÇÃO.

Ultravioleta O sucesso da esterilização de embalagens pela radiação

UV depende de uma série de fatores, sendo que a superfície a ser esterilizada deve estar limpa pois, os raios UV tem um poder pequeno de penetração e podem ser facilmente absorvidos por partículas sólidas na superfície da embalagem.

Figura 17 – Ilustração interna da câmara de irradiação ultravioleta (ALEXANDRE, 2008)

Ultravioleta

Figura 18 – Irradiação de embalagens (ALEXANDRE, 2008)

Ultravioleta Também na esterilização de bebidas como o poder de

penetração dos raios UV é baixo, o líquido deve passar por tubos em camada muito fina para que a esterilização seja efetiva.

Figura 19 – Envase de bebidasFonte: Google imagens

Ultravioleta A radiação UV mostrou-se eficiente na indução da

resistência em vários produtos vegetais, como, uva, citros, pêssego, tomate entre outros. Verificou-se que esses vegetais apresentaram menor incidência de podridão;

Isso ocorre devido ao efeito hormético, ou seja, um estímulo para respostas benéficas do fruto através de baixas doses de um agente que causa estresse.

Figura 20 – Frutos / Fonte: Google imagens

Luz pulsante O processamento com pulsos elétricos ou campo elétrico

pulsante, utiliza a aplicação de pulsos de alta voltagem por um intervalo curto de milissegundos;

A tecnologia é usada ainda de modo incipiente, mas seu baixo consumo de energia e as baixas temperaturas de processamento resultam na alta retenção de características sensoriais e propriedades nutricionais, que indicam um bom potencial na produção de alimentos de alta qualidade;

Deste modo, esta tecnologia, evita a perda de importantes nutrientes do alimento como, vitaminas C e B1 e ácidos graxos poli-insaturados, que normalmente são destruídos por outros tratamentos.

Luz pulsante Segundo Fellows (2006) o modo preciso pelos quais os

microrganismos são destruídos pelos campos elétricos não são bem compreendidos, mas eles provavelmente, incluem:

Formação de poros nas membranas celulares devido ao campo elétrico aplicado aumentar o potencial elétrico da membrana além do natural que é 1 v;

Formação de radicais livres altamente reativos produzidos a partir de componentes do alimento pelo arco elétrico;

Oxidação induzida e reações de redução dentro da estrutura da célula que rompe o processo metabólico.

Luz pulsante Esta tecnologia tem funcionado bem na pasteurização de

alimentos líquidos e semilíquidos como: Sucos; Leite; Iogurte; Sopas; Ovos líquidos.

Vale lembrar que todo alimento pasteurizado, deve ser mantido sob refrigeração para segurança.

Luz pulsante Os equipamentos típicos de PEF consistem de um

fornecimento de força de alta voltagem, capacitores para armazenar a energia e de uma chave de descarga para liberar a carga para que os eletrodos façam passar um campo elétrico através do produto.

ObrigadObrigado!o!

Referências FELLOWS, P. J. Tecnologia do processamento de alimentos: princípio e

prática – 2. ed. – Porto Alegre: Artmed, 2006, 602p. GAVA, A. J. Tecnologia de alimentos: princípios e aplicações – São

Paulo: Nobel, 2008, 512p. GERMANO, P. M. L. Higiene e vigilância sanitária de alimentos – 3. ed.

– Barueri, SP: Manole, 2008, 986p. HUANG, L.; SITES, J.; Elimination of Listeria monocytogenes on Hotdogs

by Infrared Surface Treatment. Journal of Food Science . vol. 73, nr. 1. 2008.

KUMAR, S.; AALBERSBERG, B. Nutrient retention in foods after earth-oven cooking compared to other forms of domestic cooking. Journal of Food Composition and Analysis 19 (2006) 311–320.

ORDÓNEZ, J. A. Tecnologia de alimentos – Porto Alegre: Artmed, 2005, 294p.

SUMNU, G.; SAHIN, S.; SEVIMLI, M.; Microwave, infrared and infrared-microwave combination baking of cakes. Journal of Food Engineering 71 (2005) 150–155