Ajuste de isotermas de sorção de sementes de cultivares de feijoeiro

Adjustment of sorption isotherms for seeds of Phaseolus vulgaris cultivars

Ajuste de isotermas de sorção de sementes de cultivares de feijoeiro¹

Adjustment of sorption isotherms for seeds of Phaseolus vulgaris cultivars

Fabiana Gonçalves Francisco^I; Roberto Usberti^II; Juliana Tofano de Campos Leite Toneli^III

^IEngº Agrº, Doutora em Engenharia Agrícola, UNICAMP/FEAGRI/Tecnologia Pós-colheita, Caixa Postal 6011, 13083-970, Campinas, SP

^IIEngº Agrº, PhD., CDA/SAA; Professor Colaborador da UNICAMP/FEAGRI/Tecnologia Pós-Colheita., Campinas, SP. [e-mail]

^IIIEng. Agrícola, Doutoranda em Engenharia de Alimentos, UNICAMP/FEA, Campinas/SP

RESUMO

É possível estabelecer uma relação entre o teor de água livre na semente e sua conservação, expresso pela atividade de água, através da relação entre a pressão de vapor de água em equilíbrio na semente e a pressão de vapor de água pura, à mesma temperatura. Uma isoterma é uma curva que descreve a relação de equilíbrio de uma quantidade de água sorvida por componentes da semente e a pressão de vapor ou umidade relativa, a uma temperatura específica. O objetivo deste trabalho foi estudar as isotermas de sorção para sementes de feijoeiro dos cultivares Tibatã e Una. Os graus de umidade das sementes foram ajustados, antes do armazenamento, em dessecadores com sílica gel ou através de reidratação sobre água. Para o controle da quantidade de água removida ou absorvida, as subamostras foram pesadas periodicamente, sendo o processo encerrado ao ser atingido o peso correspondente ao grau de umidade final desejado para cada tratamento. Foram realizadas determinações de umidade e de atividade de água e utilizados diferentes modelos de equações empíricas que correlacionam dados experimentais das isotermas de sorção em materiais biológicos. O melhor ajuste das isotermas de sorção foi alcançado pelos modelos de Oswin e Peleg para sementes de feijoeiro, cultivares Tibatã e Una, respectivamente.

Termos para indexação: atividade de água, grau de umidade, umidade de equilíbrio, modelos matemáticos.

ABSTRACT

It is feasible to establish a relationship between free water and seed conservation, through seed water and pure water vapour pressures, at the same temperature. A sorption isotherm describes the equilibrium of an amount of water sorbed by seed components and the vapour pressure or relative humidity, at a specific temperature. The main aim of this work was to analyze sorption isotherms for two Phaseolus vulgaris cultivar seeds. Seed moisture contents were adjusted, prior to storage, either by dehydration in desiccators over silica gel or rehydration over water. Seed sub sample weights were recorded periodically to control the amounts of removed or sorbed water. When corresponding weights to the desired seed moisture contents had been achieved, the process was over. Seed moisture content and water activityr determinations were carried out and different empirical equation models were used aiming at correlating experimental data of sorption isotherms of the seed samples. The best fit of the sorption isotherms was achieved through the Oswin 2-parameter model the and Peleg 4-parameter model for seeds of the Tibatã and Una cultivars, respectively.

Index terms: water activity, seed moisture content, equilibrium relative humidity, mathematical models.

INTRODUÇÃO

O Brasil é o maior produtor mundial de feijão, respondendo por 16,3% da produção mundial, e a comercialização de sementes tem exigido das empresas produtoras a adoção de moderna tecnologia para a manutenção de altos graus de pureza física, germinação e sanidade.

O feijoeiro representa o terceiro produto em área semeada e o quarto em valor de produção agrícola (CONAB, 2005). O esforço da pesquisa em obter melhores níveis de produtividade e garantir o abastecimento interno do produto é justificado pela importância social do feijão, como alimento substituto de proteínas e rico em ferro e pelo consumo generalizado da população brasileira.

Para se reduzir ao mínimo o processo de deterioração, as sementes devem ser armazenadas adequadamente, garantindo assim a manutenção de estoque regulador para os anos subseqüentes de baixa produção.

Como todo material higroscópico, as sementes cedem ou absorvem água do ar que as envolve; assim, se a pressão de vapor de água na semente for menor do que a do ar ocorre a absorção de umidade (sorção) e, no caso inverso, a semente cede água para o ar (dessorção). Quando a pressão de vapor de água da superfície da semente se iguala à pressão do ar ambiente, obtém-se a umidade de equilíbrio (Nellist e Hugues, 1973).

Por serem altamente higroscópicas, as sementes têm comportamento diferenciado nas isotermas de sorção. Sementes ricas em óleo apresentam graus de umidade de equilíbrio mais baixos em relação às sementes amiláceas, quando armazenadas em condições ambientais semelhantes, pois absorvem menos água, por serem hidrófobas (Brooker et al., 1992).

Resultados semelhantes foram obtidos por Benedetti e Jorge (1987) em sementes de amendoim (alto teor de lipídios), que apresentaram menor umidade de equilíbrio comparativamente às sementes de arroz, milho, soja e trigo, a uma mesma temperatura. Chung e Pfost (1967) verificaram que, para sementes de milho, entre os graus de umidade de 4 e 20%, a 31°C, o calor de sorção/dessorção situava-se entre 10,5 e 16 kcal.mol^-1. A temperatura tem efeito significativo no grau de umidade de equilíbrio. Em milho, a umidade de equilíbrio à umidade relativa do ar (UR) de 70% é 15,6%, a 4,4°C e 10,3%, a 60°C. Outras espécies apresentam similaridade no comportamento, sendo que um aumento na temperatura, a uma UR constante, diminui o grau de umidade de equilíbrio (Brooker et al., 1992).

Existem diversas equações empíricas que correlacionam dados experimentais das isotermas de sorção de materiais biológicos, através de modelos matemáticos. O objetivo deste trabalho foi estudar o ajuste matemático de isotermas de sorção para sementes de feijoeiro dos cultivares Tibatã e Una.

MATERIAL E MÉTODOS

O presente estudo foi realizado no Laboratório de Tecnologia Pós-Colheita da Faculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, SP, no período de março de 2002 a dezembro de 2005.

Os graus de umidade das sementes de feijoeiro, dos cultivares Tibatã (tipo carioca) e Una (preto) foram ajustados, a partir de seu valor inicial, em diferentes níveis antes do armazenamento, usando-se dessecadores com sílica gel, constantemente regenerada ou através de reidratação sobre água (camada de água de 4cm em sua parte inferior), ambos a 25°C. Para o controle da quantidade de água removida ou sorvida durante a secagem ou reidratação das sementes, as subamostras foram pesadas periodicamente. O processo foi encerrado ao ser atingido o peso correspondente ao grau de umidade final desejado para cada tratamento.

Para os testes de germinação foram utilizadas quatro subamostras de 50 sementes para cada cultivar, que foram colocadas entre folhas de papel toalha umedecidas com água destilada, e em seguida encaminhadas para germinar em alternância de temperaturas de 20-30°C (BRASIL, 1992). As contagens foram realizadas após 5 e 9 dias do início do teste, considerando-se como germinadas as sementes que emitiram a radícula, conforme critério adotado por Dickie e Smith (1995).

Para a análise estatística, os valores de porcentagens de germinação foram transformados em probit, de acordo com Baker e Nelder, (1978).

A equação utilizada para se obter os graus de umidade desejados foi a adotada por Valentini (1992), a saber: Mf = ((PBi-T)*Mi + 100*(PBf-PBi)) / (PBf-T) onde: Mf = grau de umidade final (%, b.u.); PBi = massa bruta inicial em gramas; T = tara do saco de filó; Mi = grau de umidade inicial (%, b.u.); PBf = massa bruta final em gramas.

Após um período de quatro dias para homogeneização, o grau de umidade das sementes foi determinado, utilizando-se o método da estufa a 105 ± 3°C por 24 horas, com duas subamostras de 5g por repetição (BRASIL, 1992).

A determinação da atividade de água (A_w) foi realizada na Faculdade de Engenharia de Alimentos, Unicamp, utilizando-se um higrômetro com resolução de 0,01A_w, empregando a técnica do ponto de orvalho em espelho resfriado (Aqualab, 1997). Este equipamento é acoplado a um banho termostatizado, de marca Brookfield, modelo TC 500, com resolução de 0,1°C. As determinações foram feitas a 25 ± 0,3°C, usando-se três subamostras de sementes moídas para cada grau de umidade.

As equações empíricas usadas para correlacionar as isotermas de sorção das sementes foram:

1. Modelo de Peleg: modelo empírico de quatro parâmetros que visa conjugar duas tendências em uma equação (Peleg, 1993):

onde: X_eq = teor de água de equilíbrio (kg.kg^-1); A_w = atividade de água, adimensional; k₁, k₂, n₁ e n₂ = constantes.

As restrições para esta equação são que n₁ < 1 e n₂ > 1;

2. Modelo de Bet (Brunauer, Emmet e Teller): Analisando aspectos da natureza química da umidade foi proposto, para camadas polimoleculares:

onde: X_eq = teor de água de equilíbrio (kg.kg^-1); Xm = teor de água na monocamada molecular (kg.kg^-1); A_w = atividade de água, adimensional; C, n = constantes (Park e Nogueira, 1992).

3. Modelo de GAB (Gugghenheim, Anderson e de Boer): equação triparamétrica, que permite um melhor ajuste dos dados de sorção das sementes, até a atividade de água de 0,9. A equação de GAB é descrita segundo Van Der Berg (1984), como:

onde: X_eq = teor de água de equilíbrio (kg.kg^-1); X_m = teor de água na monocamada molecular (kg.kg^-1); A_w = atividade de água, adimensional; C, K = constantes de adsorção.

4. Modelo de Langmuir: ao considerar as condições de equilíbrio aplicadas à água livre, Langmuir (1918) propôs a equação:

onde: A_w = atividade de água, adimensional; X_eq = teor de água de equilíbrio (kg.kg^-1); XM = teor de água da monocamada (kgw/kgs); C = constante de sorção.

5. Modelo de Halsey: modelo desenvolvido por Halsey (1985) para a condensação das camadas a uma distância

relativamente grande da superfície, como segue:

onde: X_eq = teor de água de equilíbrio (kg.kg^-1); A_w = atividade de água, adimensional; A, B = constantes.

6. Modelo de Oswin: baseia-se na expansão matemática para curvas de formato sigmoidal, sendo um modelo empírico, definido por Chinnan e Beauchat (1985) como:

onde: X_eq = teor de água de equilíbrio (kg.kg^-1); A_w = atividade de água, adimensional; A, B = constantes.

A avaliação do ajuste de cada modelo foi realizada pelo desvio relativo entre os dados experimentais e os valores estimados pelos diferentes modelos.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A partir das porcentagens iniciais de umidade das sementes dos cultivares de Phaseolus vulgaris L., a saber, 13,61 (Tibatã) e 12,35 (Una), foi realizada a secagem em dessecadores com sílica gel para obtenção dos graus de umidade mais baixos (3,28 e 3,14%, respectivamente), como se observa na Figura 1.

A germinação das sementes praticamente não foi alterada com a obtenção desses baixos valores de umidade, pois os valores obtidos foram semelhantes para todas as subamostras de controle nas diferentes umidades testadas, variando de 98 a 89% e de 97 a 94% para Tibatã e Una, respectivamente (Tabela 1).

Estes resultados estão de acordo com os obtidos por Ellis et al. (1988) para sementes de quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) , girassol (Helianthus annuus L.) e linhaça (Linum usitatissimum L.), mostrando que reduções do grau de umidade nesses níveis não acarretam danos às sementes. Além disso, Hong e Ellis (1992), trabalhando com sementes de cevada (Hordeum vulgare L.) e vigna (Vigna radiata (L.) R. Wilczek.), secas a níveis de umidade entre 3% e 16% e armazenadas hermeticamente durante seis meses a 29°C, verificaram que nem a secagem nem o armazenamento hermético resultaram em redução de viabilidade das sementes.

Uma redução no grau de umidade da semente abaixo do grau de umidade crítico (5%) pode causar danos à viabilidade da semente. Porém, estudos têm mostrado que não existe efeito prejudicial induzido pela ultra-secagem em sementes de algumas espécies e que a capacidade de armazenagem de sementes ultra-secas melhorou após 10 anos de armazenamento (Wang et al., 2001)

As atividades de água detectadas (Tabela 2) revelam que as sementes dos cultivares testados apresentaram composições químicas diferentes. O conhecimento de isotermas de umidade de equilíbrio higroscópio das sementes é essencial por estarem diretamente ligadas ao armazenamento, secagem e comercialização (Roa e Rossi, 1977).

A determinação e os módulos dos erros relativos médios foram testados nos modelos de Bet (Brunauer, Emmet e Teller), Bet Linear; Gab (Gugghenheim, Anderson e de Boer), Halsey, Oswin, Langmuir e Peleg. As curvas de sorção para os dois cultivares foram melhor ajustadas pelos modelos de dois e quatro parâmetros (Oswin para o Tibatã e Peleg para o Una). A avaliação do melhor ajuste, feita pelo valor do desvio relativo entre os dados experimentais e os valores estimados (Tabela 3), mostra erro relativo de 0,94% para Tibatã e 2,38% para Una.

As dispersões entre valores experimentais e a previsão para os dois cultivares, usando os modelos matemáticos de Oswin e Peleg, são apresentadas nas Figuras 2 e 3, que representam a combinação de isotermas de sorção e desorção, dependendo se os valores foram obtidos abaixo ou acima dos graus de umidade iniciais.

CONCLUSÃO

Os modelos de isotermas de sorção que apresentam melhor ajuste são os de Oswin e Peleg para sementes de feijoeiro, cultivares Tibatã e Una, respectivamente.

Submetido em 03/05/2006. Aceito para publicação em 22/08/2006.

Projeto financiado pela FAPESP

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1

extraído da Tese de Doutorado do primeiro autor;

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  22 Maio 2007
• Data do Fascículo
  Abr 2007

Histórico

• Aceito
  22 Ago 2006
• Recebido
  03 Maio 2006