APLICA플O DO PLANEJAMENTO FATORIAL PARA OTIMIZA플O DO ESTUDO DA PRODU플O DE BEBIDA FERMENTADA A PARTIR DA ALGAROBA



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APLICAÇÃO DO PLANEJAMENTO FATORIAL PARA OTIMIZAÇÃO DO ESTUDO DA PRODUÇÃO DE BEBIDA FERMENTADA A PARTIR DA ALGAROBA

Silva Clóvis Gouveia da[1], Rocha Aleksandra Silva[2], Almeida Mércia Melo de[3], Silva Flávio Luiz Honorato da[4], Marcelo Barbosa Muniz[5], Baracho Thiago Henrique[6], Silva Moacir Epifânio7

RESUMO - O crescente aumento da população mundial exige providências urgentes por parte dos governantes, cientistas e demais autoridades, no sentido de encontrar novas alternativas viáveis e auto-sustentáveis de aproveitamento dos recursos naturais disponíveis para aumentar a oferta de alimentos e minimizar os efeitos da fome nos países em desenvolvimento. Neste contexto, a algarobeira (Prosopis juliflora Sw DC) apresenta-se como uma das mais importantes culturas das regiões áridas e semi-aridas do planeta, devido as suas múltiplas aplicações e usos e a impressionante resistência à seca. Com base nisso, esse estudo teve como objetivo pesquisar a melhor forma de aproveitamento e uso dos frutos da algarobeira no desenvolvimento de um produto fermentado de boa aceitação comercial. A metodologia utilizada consistiu na utilização de um sistema de fermentação em batelada com três reatores de polietileno atuando em série, onde foi adicionado o caldo açucarado obtido por prensagem mecânica das vagens maduras da algarobeira. Nesse meio de cultivo foi testado o desempenho da linhagem de levedura comercial usada em panificação. Durante a cinética do processo foram monitorados os efeitos do consumo do substrato limitante, o crescimento de celular, etanol, a acidez total, pH e seus efeitos no desempenho das respostas produtividade, rendimento teórico e %conversão do processo fermentativo. Os melhores valores obtidos para os fermentados (vinhos) foram: concentração de etanol de 46,60 g/L, produtividade de 4,70 g/L.h, rendimento teórico (Yp/s) de 0,329 e %conversão de 64,4%.

Palavra-chave: Prosopis juliflora, vinho, fermentação alcoólica, etanol, conversão, produtividade.

SUMMARY - The increasing growth of world population demands urgent planning on the part of government, scientists, and other authorities in order to find new viable and auto-sustainable alternatives of making use of natural resources that are available to increase the availability of food and minimize the effects of hunger in developing countries.  In this context, the carob tree (Prosopis juliflora Sw DC) is presented as one of the most important crops among arid and semi-arid regions of the planet, because of its multiple applications and uses and its impressive resistance to drought.  Based on this, this study's objective was to research the best way to utilize carob fruit in developing a fermented product that would be commercially viable. The method used consisted of a fermentation system in batches with three polyethylene reactors acting in sequence after adding sweetened broth obtained by mechanically crushing ripe carob pods.  In this medium, the performance of lines of commercial bread-making yeast was tested. During the kinetics of the process, the effects of consuming thesubstrate limit; cellular growth, ethanol, andtotal acidity, pH and its effects on performance, productivity, theoretical yield, and conversion of thefermentation process. The average fermented products (wines) displayed ethanol concentrations in 46.60 g/L, productivity 4.70 g/L.h, theoretical yield (Yp/s) de 0.329 and % conversion of 64.40%.

Keyword: Prosopis juliflora, wine , alcoholic fermentation, ethanol, Conversion, productivity

1 - Introdução

A algarobeira é uma leguminosa de múltiplas utilidades e boa adaptação às regiões áridas e semi-áridas do planeta. São cerca de 44 espécies espalhadas pelos os cinco continentes. No continente Americano sempre esteve presente desde o sudoeste dos Estados Unidos até a patagônia na Argentina, sendo trazida para o Brasil a partir da década de 40, mais exatamente em 1942 na cidade de Serra Talhada estado de Pernambuco no Nordeste Brasileiro, onde foram cultivadas as primeiras mudas da espécie (Prosopis juliflora Sw DC).

Os frutos da algarobeira, popularmente conhecidos no Nordeste como vagens de algaroba ou simplesmente algaroba, é potencialmente rico em proteínas, minerais e açúcares passíveis de sofrer fermentações. Essas propriedades favorecem os bioprocessos tecnológicos e os caracterizam como matéria-prima importante para produtos fermento destilados.

O processo de aproveitamento racional para obtenção de uma bebida fermentada (vinho) a partir desses açúcares, poderá gerar mais uma alternativa de aproveitamento de um recurso natural, abundante e renovável em um produto de qualidade reconhecida e alto valor comercial.

Sob o ponto de vista social, econômico e ambiental, um empreendimento agroindustrial desse tipo, em comunidades rurais carentes, poderá trazer vários benefícios: geração de emprego e renda no campo, disciplina e o uso racional dessas espécies, a proteção e suporte contra a erosão, desertificação e devastação da vegetação nativa para geração de energia e construções rurais. Beneficiando dessa forma, milhões de famílias dessas comunidades, e evitando o êxodo rural e a devastação da mata nativa e promovendo o desenvolvimento na região.

De acordo com Dias (2001), estudos e novas descobertas a cerca do vinho vem sendo desenvolvidos ao longo dos séculos, a produção passou a ser uma arte com embasamento científico, ampliando cada vez mais, a vitinicultura.

Segundo a legislação brasileira de bebidas, o fermentado de frutas é a bebida com graduação alcoólica de 4 a 14% em volume, a 20°C, obtida da fermentação alcoólica do mosto de fruta sã, fresca e madura. Vinhos que não são provenientes da uva, obrigatoriamente, devem ser rotulados com a denominação fermentado, acompanhado do nome da fruta da qual foi originado (BRASIL, 1997).

Esse estudo teve como objetivo estudar o aproveitamento dos frutos maduros da algarobeira (Prosopis juliflora Sw DC) na obtenção de um fermentado (vinho), de valor agregado, aplicando a metodologia do planejamento fatorial, para verificar os efeitos das concentrações das variáveis de entrada (sólidos solúveis totais e concentração de levedura) sobre as respostas (%Conversão, produtividade e no rendimento teórico) do processo fermentativo para aproveitamento racional dos açúcares presentes nas vagens da algarobeira para produção de fermentado (vinho).

2 - MATERIAL E MÉTODOS

Esse trabalho foi desenvolvido nos Laboratórios de Engenharia Bioquímica e Transferência em Meios Porosos e Sistemas Particulados da UAEQ (Unidade Acadêmica de Engenharia Química) e no Laboratório de Armazenamento e Processamento de Produtos Agrícolas da UAEAg (Unidade Acadêmica de Engenharia Agrícola) da Universidade Federal de Campina Grande.

Para a produção do fermentado de algaroba foram utilizadas como fonte de carboidratos de origem vegetal, vagens maduras da algarobeira (Prosopis juliflora (S.w. D.C.) coletadas manualmente após a queda natural nos períodos entre fevereiro a março de 2008, na cidade de Serra Branca – PB.

2.1 - Seleção

As vagens da algarobeira foram selecionadas de acordo com o estádio de conservação, vagens danificadas e outros defeitos, descartando-se as atacadas por insetos e roedores, fungos, doenças, como também para retirada de pedras e galhos para garantir a qualidade do produto e evitar fermentações indesejáveis.

2.2- Pesagem

As vagens selecionadas foram pesadas utilizando-se uma balança eletrônica (Lucastec), modelo PL-100, carga máxima de 25Kg e mínima de 125g com o propósito de, ao fim do processo, verificar o rendimento da produção.

2.3- Sanitização

A sanitização foi feita imergindo as vagens numa solução bactericida de largo espectro, efetivo contra esporos, fungos e bacteriófagos: água clorada a 3% por 5 minutos enquanto que a remoção dos resíduos sanitizantes foi feita enxaguando as vagens em água corrente, e teve como objetivo prevenir qualquer tipo de contaminação por microrganismos estranhos ao processo.

2.4- Fragmentação

A operação de quebra das vagens foi feita manualmente em fragmentos de 1,5cm ± 0,5 e teve como propósito aumentar a área de contato entre o solvente (água) e o soluto (açúcares da vagem).

2.5- Hidratação

Os fragmentos das vagens de algarobeira foram submetidos ao processo de hidratação com água potável a uma temperatura média de 65±2°C, por três horas até apresentarem um aspecto escurecido e intumescido.

2.6- Extração

O material resultante foi submetido a operações sucessivas de prensagem a uma pressão média de 21,2 kg.cm-2, até separar o extrato aquoso (caldo) do resíduo sólido (bagaço).

Nessa operação foi utilizado o sistema de prensa hidráulica manual com capacidade para 79,5 kg.cm-2, composta de um cilindro em aço inox perfurado medindo 22,2 cm de altura x 15,5 cm de diâmetro interno.

2.7- Filtração

O caldo clarificado foi submetido a uma filtração em filtro de Nylon 150 mesh para retirada das partículas sólidas em suspensão.

2.8 – Microrganismo

Foi utilizada a levedura Saccharomyces cerevisiae (fermento biológico comercial, marca Fleischmann, 70% de umidade).

2.9 – Fermentação alcoólica

O processo fermentativo foi realizado em reator de polietileno por batelada, seguindo o planejamento fatorial 22 (Tabela 1). Durante o processo fermentativo foram monitorados a cada 2 horas as seguintes variáveis: SST (BRASIL, 2005), concentração celular (Florentino, 2006), pH, ART pelo método de DNS segundo Miller (1959) com algumas adaptações, acidez acética (Brasil, 2005), temperatura e etanol (ebuliômetro).

Percentual de Conversão

O percentual de conversão no fermentado para produção da aguardente antes da destilação, foi calculado pela Equação 1.

Conversão (%) = (1)

Onde:

P - concentração de etanol experimental;

S0 - concentração inicial de substrato (ART).

Cálculo da Produtividade

A produtividade foi obtida pela Equação (2).

Produtividade (g/L.h) =(2)

Onde:

P - concentração de etanol experimental em (g/L);

t - tempo de fermentação (horas).

Rendimento em biomassa (Yx/s)

Este parâmetro foi determinado através de balanço de massa, onde foram determinados a quantidade de produto formado no fermentado (etanol) em relação à quantidade de substrato limitante consumido ART (Açúcares Redutores Totais) na fermentação, Equação 3.

Yp/s = (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);

2.10 - Centrifugação do meio fermentado

Na recuperação dos produtos da fermentação o sistema sólido/líquido formado pelo fermentado, foi centrifugado em centrífuga da marca excelsa II modelo 206 BL com velocidade de 3000 rpm (rotação por minuto) e colocado em cubetas de 100mL totalizando 400mL para cada 3 minutos de centrifugação com o objetivo da separação da massa celular em suspensão no meio líquido fermentado.

2.11- O planejamento fatorial

Para avaliar as influências das variáveis SST e concentração inicial de levedura (g/L) do processo fermentativo submerso em batelada simples, foi utilizado a metodologia de planejamento fatorial 2k+ três experimento no ponto central. Os valores reais e codificados das variáveis de entrada do planejamento fatorial 22 utilizadas estão na Tabela 1 e a matriz do planejamento fatorial 22 encontra-se na Tabela 2.


Tabela 1 Valores reais e codificados das variáveis de entrada do planejamento fatorial 22.


Autor: CLVIS GOUVEIA DA SILVA


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