101421381 - cobeq

APROVEITAMENTO DO PEDÚNCULO DO CAJU PARA OBTENÇÃO DE
CONCENTRADOS ENRIQUECIDOS EM FRUTOSE E/OU GLICOSE
1
Ticiana Cavalcante Duarte
Josy Eliziane Torres Ramos
3
Ivanildo José da Silva Jr.
3
Diana C. S. Azevedo
2
1
Bolsista de Iniciação Científica PIBIC/ CNPQ/UFC, discente do curso de Engenharia Química.
Doutoranda da faculdade de Engenharia Química da UFC/CE.
3
Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFC/CE.
2
1,2,3
Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal do Ceará. Planalto Pici ,Avenida Humberto
Monte , Bloco 709 , Campus do Pici, Fortaleza- CE, CEP 60455-760
e-mail: [email protected]
RESUMO - O pedúnculo do caju possui
várias propriedades nutricionais sendo o
mesmo rico em frutose e glicose. Infelizmente, a maior parte da produção do
pedúnculo do caju é desperdiçada no local da colheita. A obtenção de produtos de
valor agregado a partir do pedúnculo, como xaropes de frutose e glicose, pode indicar
rotas econômicas alternativas para a região produtora. Neste contexto, este trabalho
visa à obtenção de produtos a partir do pedúnculo do caju, tais como xaropes de
glicose e frutose obtidos por rotaevaporação e o estudo das propriedades de equilíbrio
e cinética de adsorção dos açúcares frutose e glicose em resinas de troca iônica. Os
três concentrados, Xarope obtido à 50ºC, Xarope obtido à 60ºC e o mel comercial
Karo® foram caracterizados e comparados em relação a vários parâmetros.O xarope
obtido apresentou maior concentração de açúcares redutores e até mesmo uma maior
quantidade de frutose. As resinas utilizadas no processo de separação possuem maior
afinidade pela frutose que glicose, sendo a resina Dowex com maior capacidade de
adsorção do que a Diaion. Tal fato potencializa a produção de concentrados
enriquecidos em frutose e/ou glicose viabilizando um aproveitamento da produção
excedente de caju em um produto de maior valor comercial.
Palavras-Chave: caju, xarope, açúcares.
INTRODUÇÃO
O cajueiro (Anacardium occidentale L) é
uma planta tropical nativa do Brasil cultivada em
terrenos arenosos da costa do Nordeste do país,
sendo o estado do Ceará seu maior produtor
(Lima, 1988). A agroindústria do caju tem um
papel de destaque no contexto socioeconômico
do Estado, já que se trata de uma atividade
intensiva em mão de obra. Em áreas
subdesenvolvidas, a cajucultura proporciona uma
das poucas, senão a única, oportunidades de
trabalho para a população.
A maçã ou pedúnculo pode ser
consumida in natura ou pode ser processada
industrialmente em uma variedade de produtos
que vão do suco concentrado a produtos
cosméticos. O suco extraído do pedúnculo pode
ser servido como bebida ou fermentado a vinho.
Porém, o mercado local é quem basicamente
consome estes produtos, cuja comercialização
não desempenha um papel significativo na
economia da região. Se por um lado o caju possui
excelentes qualidades gustativas e nutricionais,
por outro é desvalorizado pela sua alta
perecibilidade, pela ausência de técnicas de
manuseio e preservação adequadas, e pela
intensa adstringência (devido à presença de
taninos). Infelizmente, a maior parte da produção
do pedúnculo apodrece no local da colheita,
sendo o restante vendido para a indústria de
suco. O aproveitamento do pedúnculo é de
apenas 10% (Paiva et al., 2000).A venda do suco
para o mercado externo é prejudicada pela
adstringência e pela formação de duas fases no
interior das garrafas. Assim, a castanha
desempenha maior importância econômica, pois,
além de não ser perecível, é altamente valorizada
tanto no mercado interno quanto no externo.
Neste contexto, o presente trabalho visa à
obtenção de produtos de valor agregado a partir
do pedúnculo do caju, tais como xaropes de grau
alimentício, o que pode indicar rotas econômicas
alternativas ensejando o aproveitamento da
produção excedente não absorvida pelo mercado.
Também foi determinada a viabilidade de obter
xaropes com graus diversos de enriquecimento
de glicose e frutose através de experimentos de
adsorção de misturas concentradas em resinas
de troca iônica. O estudo do tema nos permite um
maior conhecimento da importância do potencial
da cajucultura no estado do Ceará, a
aprendizagem do manuseio de um sistema de
volatilidade
rotatória,
adsorção
e
suas
aplicabilidades na separação de produtos.
EMBRAPA/CNPAT), água deionizada,mel da
marca Karo®,frutose e glicose de grau analítico
da Dinâmica (Brasil) e colunas cromatográficas
Superfomance (Gotec Labortechnik, Alemanha)
de 12,7 cm de comprimento (L) e 2,5 cm de
diâmetro interno (D), para experimentos em leito
fixo empacotadas com as resinas Dowex®
Monosphere 99 Ca (Sigma-Aldrich, EUA), com
diâmetro de partícula de 320µm, nas dimensões
de leito 2,5cm x 13cm e Diaion® UBK 555
(Sigma-Aldrich, EUA), com diâmetro de partícula
de 220µm e nas dimensões de leito 2,5cm x
12,7cm;
Para a quantificação e construção de
curvas padrões dos açúcares Frutose e Glicose
por CLAE (cromatografia líquida de alta
eficiência),
foi
utilizada
uma
coluna
cromatográfica analítica do tipo Shodex (SC10118mmX300mm)
e
pré-coluna
(SC-LG
6mmX50mm).
OBJETIVOS
Objetivo geral
Obtenção de xarope a partir do suco de caju
clarificado
O principal objetivo a ser atingido é
determinar a viabilidade técnica de uma rota
tecnológica de beneficiamento do pedúnculo do
caju visando a obtenção de um produto de valor
agregado (xaropes de grau alimentício) a partir do
suco clarificado e efetuar estudos de adsorção
seletiva de frutose em resinas de troca iônica,
como forma de definir condições de operação de
unidades de processamento contínuo para a
separação destes açúcares e produção de
xaropes concentrados de frutose.
Para a aquisição do xarope foram utilizados
inicialmente 400 mL de suco de caju clarificado
por gelatina que foram alimentados a um sistema
de evaporação rotatória (Büchi, Suíça), que inclui
o Rotavapor® R- 210, Bomba de Vácuo® V-700 e
o Recirculador Chiller B-740. Foram efetuados
tratamentos térmicos nas temperaturas de 50º C
e 60ºC, com a bomba de vácuo exercendo uma
pressão de aproximadamente 20 mbar no modo
contínuo, com a obtenção de xaropes de
diferentes características.
Objetivos específicos:
Caracterização dos xaropes
−
−
−
Submeter o clarificado a processo de
concentração sob distintas condições de
temperatura;
Caracterizar os xaropes obtidos quanto a
Cor (abs), Condutividade elétrica (mS/m),
pH, Densidade (g/mL), Cglicose (g/L),
Cfrutose (g/L) e °Brix, comparando-os a um
xarope padrão (mel Karo®) e
Medir isotermas de equilíbrio de adsorção
de glicose e frutose por cromatografia
frontal em dois tipos de resinas de troca
iônica,
partindo
de
soluções
monocomponentes e binárias de glicose e
frutose
a
várias
diluições
nas
concentrações de 10 a 120g/L e
temperaturas de 30 ºC, 40 ºC e 60 ºC.
MATERIAL E MÉTODOS
Materiais
suco
Os materiais utilizados no trabalho foram
de caju
clarificado (cedido pela
Os três concentrados (Xarope obtido à
50ºC, Xarope obtido à 60ºC e mel comercial da
marca Karo®) foram caracterizados de acordo
com os seguintes parâmetros: Cor (abs),
Condutividade elétrica (mS/m), pH, Densidade
(g/mL), Cglicose (g/L), Cfrutose (g/L) e °Brix.
Método analítico para quantificação
açúcares e ácidos orgânicos
de
Foi utilizada a cromatografia líquida de
alta eficiência (HPLC) com detector de índice de
refração para a quantificação de açúcares. A fase
móvel é água ultra- e a coluna analítica é do tipo
Shodex SC – 1011 (300mmX8mm) conectada à
pré-coluna Shodex SC-LG, adequada para a
quantificação.
O
método
analítico
para
quantificação de frutose e glicose já foi
desenvolvido nos laboratórios do Grupo de
Pesquisa em Separações por Adsorção da UFC.
As resinas utilizadas para a separação de
açúcares foram empacotadas nas colunas
Superfomance (Merck, USA) perfazendo um
volume útil (Vc) de 62,3mL.
Medidas de isotermas
cromatografia frontal
de
adsorção
por
Parâmetros
As colunas foram conectadas a um
sistema de cromatografia líquida de baixa
pressão acoplada a um detector índice de
refração. Equilibrou-se a coluna com água
deionizada, a uma vazão de 2,5 mL/min até que
se estabelecesse uma linha de base estável no
detector IR. Em seguida, em t = 0, passou-se a
bombear uma solução de frutose ou de glicose,
através da coluna por tempo suficiente para
saturá-la completamente. O sinal do detector foi
registrado desde o início do bombeamento da
solução até a sua completa saturação. Após a
completa saturação, passou-se a bombear água a
fim de eluir
todo o açúcar anteriormente
adsorvido. Este procedimento foi repetido
sucessivas vezes para diferentes concentrações
de alimentação com soluções monocomponentes
de frutose e glicose nas concentrações (C0) de 10
a 120g/L nas temperaturas de 30, 40 e 60ºC.
Concentrações maiores não puderam ser
implementadas por que extrapolavam o limite de
leitura do detector. Com o auxílio do sistema de
aquisição de dados, curvas de Breakthrough
foram obtidas e a partir delas, foi possível realizar
a estimativa de parâmetros cinéticos. Com as
soluções binárias, foram coletadas alíquotas à
saída da coluna, as quais foram posteriormente
analisadas por CLAE. Esse procedimento foi
realizado
a
60°C
nas
duas
colunas
Superformance empacotadas com as resinas
Dowex e Diaion, a fim de comparar com os
resultados
obtidos
com
soluções
monocomponentes.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos da caracterização
das amostras de xarope de 50ºC e 60ºC e do mel
comercial Karo® encontram-se nas tabela
seguintes.
Tabela 1-Resultados da caracterização da
amostra de xarope de caju obtido á 50ºC.
Parâmetros
°Brix
Cor (abs)
Condutividade elétrica (mS/m)
pH
Densidade (g/mL)
Cglicose (g/L)
Cfrutose (g/L)
Tabela 2 -Resultados da caracterização da
amostra de xarope de caju obtido á 60ºC.
Xarope(50ºC)
78
λ=540
0,0285
21,28
4,25
1,37
692
719
Xarope
(60ºC)
°Brix
79,2
Cor (abs)
λ=540
0,154
Condutividade elétrica (mS/m) 7,27
pH
4,31
Densidade (g/mL)
1,39
Cglicose (g/L)
743
Cfrutose (g/L)
767
Tabela 3 -Resultados da caracterização da
amostra de Mel Karo.
Parâmetros
Mel
Karo®
°Brix
80,0
Cor (abs)
λ=540
0,156
Condutividade elétrica (mS/m) 1,219
pH
4,05
Densidade (g/mL)
1,41
Cglicose (g/L)
593
Cfrutose (g/L)
489
Os pHs das amostras de xarope se
mostraram levemente ácidos, assim como a do
mel comercial
Das caracterizações das amostras de
xarope, tem-se que o °Brix das amostras de
xarope não diferem significativamente do mel
comercial Karo®. No entanto, a quantidade de
açúcares frutose e glicose é bem menor para o
mel comercial que para os xaropes de caju, o que
indica haver outros açúcares solúveis como a
sacarose em sua composição. Logo, o poder
adoçante do xarope de caju com mesmo Brix que
o Mel Karo deve ser bastante superior.
Estudos de cinética e dinâmica de
adsorção utilizando soluções sintéticas dos
açúcares que estão presentes no xarope foram
efetuados.A partir do método dinâmico da análise
frontal (a partir das curvas de breakthrough) as
isotermas
de
adsorção
foram
obtidas.
Experimentos
foram
realizados
utilizando
soluções sintéticas monocomponentes dos
açúcares variando as concentrações de 10120g/L em três temperaturas diferentes. Cada
curva de ruptura a seguir apresentadas refletem a
variação da concentração de adsorbato com o
tempo à saída da coluna, permitindo calcular um
ponto na isoterma de adsorção.
1.0
1.0
0.8
0.8
C/C0
0.6
C/C0
0.6
0.4
0.4
30°C
40°C
60°C
0.2
0.0
0
10
20
30
Tempo (min)
40
50
Figura
1-Curvas
de
breakthrough
(experimentais)
para
a
frutose
com
concentração de alimentação de 100g/L na
resina Dowex.
1.0
0.8
C/C0
0.6
0.4
30°C
40°C
60°C
0.2
0.0
0
10
20
30
Tempo (min)
40
Figura
2Curvas
de
breakthrough
(experimentais)
para
a
glicose
com
concentração de alimentação de 100g/L na
resina Dowex.
1.0
0.8
C/C0
0.6
0.4
30°C
40°C
60°C
0.2
0.0
0
10
20
30
Tempo (min)
40
Figura 3 - Curvas de breakthrough
(experimentais)
para
a
frutose
com
concentração de alimentação de 100g/L na
resina Diaion.
30°C
40°C
60°C
0.2
0.0
0
10
20
30
Tempo (min)
40
Figura
4:
Curvas
de
breakthrough
(experimentais)
para
a
glicose
com
concentração de alimentação de 100g/L na
resina Diaion
Tendo em mão estas informaçãoes e
comparando a Figura 1 à Figura 2 e Figura 3 à
Figura 4 foi possível perceber que o tempo
necessário para o sistema atingir a situação de
completa saturaçãofoi menor para a glicose. Tal
fato significa que ambas as resinas adsorvem
mais frutose que glicose. Um aspecto importante
que podemos constatar com as Figuras 1 à 4 é
que a capacidade adsortiva da frutose diminui
com o aumento da temperatura. O que era
esperado visto que a adsorção física é um
fenômeno exotérmico, ou seja, para cada degrau
positivo de temperatura a quantidade adsorvida
diminui. Já para a glicose, as curvas de
breakthrough variam muito pouco com a
temperatura o que sugere baixos calores de
adsorção. Isto é um forte indício de que a glicose
não é apreciavelmente adsorvida.
Experimentos foram realizados utilizando
xarope de caju pra fundamentar os dados obtidos
com
os
experimentos
com
soluções
monocomponentes. Um experimento foi realizado
na coluna empacotada com a resina Dowex a
30°C e na concentração de alimentação de 60g/L
para cada um dos açúcares. Os dados obtidos
com o xarope de caju foram comparados com os
dados computacionais obtidos por um modelo
matemático resolvido utilizando o software gProms. Maiores detalhes do modelo e sua
solução podem ser encontrados em Luz et al.
(2008).
80
1,0
70
60
50
0,6
q* (g/L)
C/C0
0,8
Dados Frutose
Simulado
Dados Glicose
Simulado
0,4
20
0,0
10
10
20
30
Tempo (min)
40
50
30°C
40°C
60°C
0
0
Figura 5- Curva de breakthrough de frutose e
glicose do xarope de caju a 60g/L na
temperatura de 30°C na resina Dowex.
Analisando a Figura 5, vimos que há
alguma discordância ao confrontarmos os dados
experimentais com as curvas simuladas. Porém, ,
verificamos que os dados monocomponentes
geraram curvas que conseguiram prever
satisfatoriamente o comportamento adsortivo da
solução diluída de xarope de caju e podem ser
posteriormente utilizados para o projeto de
unidades industriais de separação dos açúcares
presentes no xarope. Tais diferenças se devem a
composição e propriedades entre o xarope e uma
solução sintética de açúcar
As isotermas de adsorção foram construídas a
partir das curvas de ruptura obtidas com
diferentes concentrações de alimentação de
frutose e glicose:
90
80
70
Glicose
30
0,2
0
Frutose
40
Frutose
q* =
q* (g/L)
20
30°C
40°C
60°C
10
0
0
20
40
60
80
Conc (g/L)
100
120
Figura 6- Isotermas de adsorção de frutose e
glicose a várias temperaturas na resina
Dowex.
100
120
aC
1 + bC
(1)
em que a e b (L/g) são parâmetros do modelo de
Langmuir, sendo a capacidade máxima de
saturação dada por qm dada por a/b. Os ajustes
software ORIGIN 6.0 (Microcal Software) e os
parâmetros dos modelos são apresentados na
Tabela 4.
.
Tabela 4. Constantes de Langmuir qm e b, a
várias temperaturas nas Resinas Dowex e
Diaion.
Parâme
tros
qm (g/L)
30
60
80
Conc (g/L)
O comportamento observado nas Figuras
6 e 7 é típico de uma isoterma do tipo Langmuir.A
euqação (1) representa o modelo descrito por :
50
Glicose
40
Figura 7- Isotermas de adsorção de frutose e
Glicose a várias temperaturas na resina
Diaion. As curvas representam à equação de
Langmuir ajustada aos dados experimentais
60
40
20
b (L/g)
H
Parâme
tros
qm (g/L)
b (L/g)
H
Resina Dowex
Frutose
30°
40°
60°
C
C
C
190 190 190
0,00 0,00 0,00
51
45
36
0,96 0,85 0,68
33
5
4
Glicose
30°
40°
60°
C
C
C
100 100 100
0,00 0,00 0,00
39
38
39
0,39
0,38
0,39
Resina Diaion
Frutose
30°
40°
60°
C
C
C
170 170 170
0,00 0,00 0,00
66
50
44
1,13 0,85 0,74
0
3
8
Glicose
30°
40°
60°
C
C
C
90
90
90
0,00 0,00 0,00
58
57
57
0,52 0,51 0,51
2
3
3
De acordo com os resultados apresentados na
Tabela 4, tanto a resina Dowex quanto a resina
Diaion possuem uma maior afinidade pela frutose
que pela glicose devido aos valores de qm da
frutose são superiores – da ordem de 2 vezes aos qm da glicose, o que indica boa seletividade
na adsorção de misturas contendo frutose e
glicose.
CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou os passos para
atribuir um maior valor agregado ao suco de caju
através da evaporação do mesmo num ciclo de
volatilização rotatória produzindo um concentrado
de glicose e frutose e a obtenção de dados
experimentais de separação de frutose-glicose
em leito fixo, que podem ser aplicados ao xarope
de caju clarificado em processo contínuo de
adsorção, com o objetivo de agregar valor a tal
produto regional do Nordeste brasileiro.
Para fins comerciais, o xarope obtido
apresentou um caráter atraente, pois apresenta
características semelhantes ao mel comercial, o
Karo®, mostrando-se até com características
mais apreciadas pelo consumidor como a maior
concentração de açúcares redutores e até mesmo
uma maior quantidade de frutose. Isto deverá
contribuir para um melhor poder adoçante do
xarope de caju em relação ao mel Karo®.
As isotermas de adsorção foram obtidas
pelo método dinâmico da análise frontal e o
modelo de Langmuir utilizado foi bem ajustado
para a faixa de concentração utilizada na
realização dos experimentos utilizando soluções
monocomponentes.
Ambas as resinas adsorvem mais frutose
que glicose, porém a coluna recheada com a
resina Dowex se mostrou mais eficaz na
separação e adsorção de Frutose do que a resina
Diaion, que pode tornar potencial a produção de
concentrados enriquecidos em frutose e/ou
glicose.
Os resultados obtidos com soluções
monocomponestes se adequam bem a solução
bicomponente
(xarope
de
caju
diluído)
conseguindo
prever
satisfatoriamente
o
comportamento adsortivo da solução diluída.
Estas evidências podem vir a viabilizar um
aproveitamento da produção excedentária de caju
em um produto de maior valor comercial.
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