Study of adhesion of food suspensions on flexible supports during drying

Abstract

Na secagem de suspensões de alimentos por Cast-tape drying (CTD) em regime contínuo, o produto é espalhado como uma fina camada sobre um material de suporte que está em contato direto com a água aquecida ou com o vapor. Este processo é uma alternativa aos processos tradicionais, como spray-drying, drum-drying e liofilização, permitindo maior transferência de calor entre o meio de aquecimento e o produto, principalmente se materiais de suporte de baixa energia de superfície forem utilizados. No entanto, o desprendimento do material seco é fundamental, pois sua adesão ao suporte de secagem acarreta perda de rendimento do produto e dificuldades na limpeza do equipamento. Vários fatores influenciam o fenômeno de adesão, dependendo das características do alimento, bem como das propriedades do material de suporte. Assim, o presente trabalho está dividido em dois estudos. Primeiramente, foi utilizado um CTD contínuo com uma esteira de fibra de vidro revestida com Teflon® para a secagem de polpa morango. Polpas de frutas com alto teor de açúcar, como polpas de morango, podem mostrar pegajosidade quando processadas, então o objetivo foi determinar quais propriedades poderiam estar relacionadas à sua adesão. Foi realizada a caracterização das suspensões de morango e leathers, e observou-se que a adição de agentes carreadores (maltodextrina, amido e pectina) à polpa de morango aumentou a temperatura de transição vítrea e reduziu a adesividade dos produtos à esteira de Teflon®, promovendo sua remoção completa. Posteriormente, no segundo estudo, suspensões de amido de mandioca foram preparadas com diferentes concentrações de glicose, sacarose e frutose, a fim de avaliar o impacto da composição de açúcares de baixa massa molar na adesão do material à superfície de secagem. Um CTD em pequena escala, que permitiu a utilização de suportes de Teflon®, Mylar® e Teflon® abrasionados com lixa, foi utilizado para a secagem das suspensões, para determinar também a importância do material de superfície e sua rugosidade no fenômeno de adesão. As suspensões e filmes à base de amido foram avaliados por meio de reologia, temperatura de transição vítrea, isotermas de sorção, entre outros. A presença de sacarose na suspensão de amido mostrou uma grande influência no aumento da força de adesão ao suporte de Teflon® original (sem abrasões). Para o suporte de Teflon® mais rugoso (denominado Teflon® R1), a presença de sacarose, assim como de frutose, aumentou a força de adesão. Portanto, concluiu-se que a presença de frutose tem mais influência na adesão quando o material de superfície apresenta uma rugosidade mais profunda, comportamento também observado durante a secagem dos morangos (fruta com maior quantidade de frutose). A molhabilidade dos suportes, avaliada pelos ângulos de contato, foi afetada tanto pelas características de rugosidade do suporte quanto pela composição de açúcar da suspensão a ser espalhada. O uso de Mylar® ou do Teflon® com maior rugosidade proporcionou maior molhabilidade, a qual é relacionada à maior adesão. Em geral, a presença de açúcares afetou a molhabilidade dos suportes de forma distinta. Assim, a composição dos açúcares é importante na análise de molhabilidade e adesão, mas a interação química entre suspensões e suportes também deve ser considerada.

Abstract: In the drying of food suspensions by continuous Cast-tape drying (CTD), the product is spread as a thin layer over a support material that is in direct contact with the heated water or vapor. This process is an alternative to traditional processes such as spray-drying, drum-drying, and freeze-drying, allowing greater heat transfer between the heating medium and the product, especially if low surface energy support materials are used. Nevertheless, the detachment of the dry material is essential, since its adhesion to the drying support causes loss of product yield and difficulties in cleaning the equipment. Multiple factors influence the adhesion phenomenon, depending on the food characteristics as well as support material properties. Thus, the present work is divided into two studies. Firstly, a continuous CTD with a conveyor belt made of fiberglass coated with Teflon® was employed for strawberry pulp drying. Fruit pulps with high sugar content, such as strawberry pulps, can show a sticky character when processed, so the goal was to determine which properties could be related to their adhesion. The characterization of the strawberry suspensions and leathers was performed, and it was observed that the addition of carrier agents (maltodextrin, starch, and pectin) to the strawberry pulp increased the glass transition temperature and reduced the adhesiveness of the products to the Teflon® belt, promoting their complete removal. Subsequently, in the second study, suspensions of cassava starch were prepared with different concentrations of glucose, sucrose, and fructose, in order to assess the impact of the composition of low molar mass sugars on the material?s adhesion to the drying surface. A small-scale CTD, which allowed the use of Teflon®, Mylar®, and Teflon® supports abraded with sandpaper, was used to the drying of the suspensions, to determine also the importance of the surface material and its roughness in the adhesion phenomenon. The starch-based suspensions and films were evaluated through rheology, glass transition temperature, sorption isotherms, among others. The presence of sucrose in the starch suspension showed a major influence in increasing the force of adhesion to the original Teflon® support (without abrasions). For the roughest Teflon® support (called Teflon® R1), the presence of sucrose, as well as fructose, increased in the force of adhesion. Therefore, it was concluded that the presence of fructose has more influence on adhesion when the surface material has a deeper roughness, a behavior also noticed during the drying of strawberries (a fruit with a higher amount of fructose). The wettability of the supports, evaluated by the contact angles, was affected both by the roughness characteristics of the support and by the sugar composition of the suspension to be spread. The use of Mylar® or Teflon® with increased roughness caused greater wettability, which is related to greater adhesion. In general, the presence of sugars affected the wettability of the supports differently. Thus, the composition of sugars is important in the analysis of wettability and adhesion, but the chemical interaction between suspensions and supports must also be considered.