Mathematical modeling and thermodynamic properties in the drying of citron watermelon seeds

Abstract

Citron watermelon is an agricultural product of excellent economic potential. Its seeds are widely used for oil extraction, serving as an energy source, showing nutritional characteristics that make them a suitable product to be studied. Thus, the objective was to characterize citron watermelon seeds regarding their physicochemical composition, in addition to determining drying kinetics, fitting mathematical models to the data, and determining the effective diffusivity coefficients and thermodynamic properties. The seeds were dried in a convective dryer, varying the drying temperature, with air velocity of 1.0 m s-1. With the increase in drying temperature, there were reductions in moisture content, water activity (aw), ash concentration, total titratable acidity, lipids and reducing sugar. Citron watermelon seeds are rich in lipids and ash, have low sugar concentration and low acidity; their drying kinetics was very well described by the Two Terms and Approximation of Diffusion models, followed by the models of Midilli and Page, which resulted in acceptable fits. Effective diffusivity accompanied the increase in drying temperature, and this behavior was well fitted by an Arrhenius-type equation. Enthalpy and entropy variations were reduced with drying temperature, with increments in Gibbs free energy.

MODELAGEM MATEMÁTICA E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DA SECAGEM CONVECTIVA DA POLPA DE TUCUMÃ (Astrocaryum aculeatum)

“…Observou-se que o aumento da temperatura de secagem reduziu os teores de umidade de equilíbrio, comportamento convergente com diversos estudos de secagem de alimentos (Santos et al, 2019a;Cardozo et al, 2021;Felizardo et al, 2021;Moura et al, 2021). Isso deveu-se à maior transferência de calor para a amostra em temperaturas mais altas (Niño et al, 2021), que por sua vez aumentou a taxa de remoção de umidade do produto e ocasionou uma maior evaporação da fase líquida (Tan et al, 2021;Leite et al, 2022), em virtude do maior gradiente de umidade entre a amostra e o ar de secagem (Santos et al, 2017;Morais et al, 2019;Taskin et al, 2021). Os tempos totais de processo foram de 1800, 1200, 780 e 480 min para as temperaturas de 30, 40, 50 e 60 °C, respectivamente.…”

“…Foi evidente que o aumento da temperatura reduziu o intervalo de duração da secagem, com decréscimo de tempo correspondendo a 73,33%, considerando-se os extremos de temperatura, fenômeno frequentemente relatado na secagem de produtos agrícolas e gêneros alimentícios (Santos et al, 2013;Resende et al, 2018;Santos et al, 2019b;Zheng et al, 2021;Cavalcanti-Mata et al, 2020;Zhao et al, 2021;Taskin et al, 2021;Tarafdar et al, 2021;Qi et al, 2021;Mishra et al, 2021;Ferreira Junior et al, 2021). Sabe-se que incremento de temperatura ocasiona aumento do potencial de transferência de calor e massa, que resulta em elevação da taxa de secagem; assim, é de se esperar que o tempo de processo reduza (Felizardo et al, 2021;Mondaca et al, 2021;Tarafdar et al, 2021;Leite et al, 2022). Apesar disso, tanto uma condição térmica elevada quanto a exposição excessiva ao calor podem degradar compostos termossenssíveis (Santos et al, 2019a), como vitaminas e compostos aromáticos (Cardozo et al, 2021), sendo importante a realização de novos estudos para avaliar a retenção desses compostos na polpa de tucumã em função da temperatura de secagem.…”

“…Para validar esses dois modelos, realizou-se uma comparação entre os valores de razão de umidade experimentais e os valores de razão de umidade preditos (Figura 4), a qual ratificou a adequação dos modelos para a descrição da secagem das amostras, uma vez que os dados experimentais e preditos situaram-se próximos à linha diagonal que passa pela origem, presentando a igualdade entre esses valores (Santos et al, 2019a). O modelo de Dois termos também se ajustou satisfatoriamente aos dados experimentais da secagem de frutos de baru (Resende et al, 2018), sementes de tamanrindo (Ferreira Junior et al, 2021), frutos de amora , folhas de manjericão e alfavaca (Mbegbu et al, 2021) e sementes de melancia africana (Leite et al, 2022). Por outro lado, o modelo de Midilli também se ajustou bem às curvas de secagem de grãos residuais de urucum (Santos et al, 2013), polpa de patauá (Santos et al, 2019b), polpa de bacaba (Morais et al, 2019), sementes e cascas de trapiá (Moura et al, 2021) e fatias de banana (Taskin et al, 2021).…”

“…Esse resultado é similar aos valores encontrados por Mondaca et al (2021) na secagem de folhas de estévia (44,22 kJ mol -1 ), Tarafdar et al (2021) na secagem de folhas de M. oleífera (42,84 kJ mol -1 ) e Zheng et al (2021) na secagem de fatias de B. aereus (45,37 kJ mol -1 ). Por outro lado, a Ea de produtos como frutos de baru (Resende et al, 2018), polpa de bacaba (Morais et al, 2019), fatias de acuri (Santos et al, 2019a), polpa de patauá (Santos et al, 2019b), folhas de alfavaca e de manjericão limão (Mbegbu et al, 2021) e sementes de melancia africana (Leite et al, 2022) mostraram-se inferiores ao determinado na polpa de tucumã, provavelmente em virtude da característica mais compactada da polpa de tucumã (Zheng et al, 2021) e da presença de grande quantidade de lipídios (Cruz et al, 2020), que exigiu mais energia térmica para transformação física da água líquida (Cardozo et al, 2021), haja vista que quanto menor for a energia de ativação nos processos de secagem, maior será a difusividade da água no produto (Almeida et al, 2021). De acordo com Zheng et al (2021), divergências na Ea pode ser atribuída à diferenças em função da extrutura, textura, composição e área superficial da amostra, somados pré-tratamentos e métodos de secagem (Atiemoh et al, 2020).…”

“…Segundo Nayak et al (2021), a ΔH é um parâmetro geralmente investigado no estudo das mudanças de estado associadas à energia de um sistema em vários processos físicos, químicos e biológicos e, em processos de secagem, está relacionada à energia necessária para remover a água ligada à matéria seca (Ferreira Junior et al, 2021). Assim, os valores decrescentes em função do aumento da temperatura indicaram que, em menores temperaturas, a polpa de tucumã demandou de menor energia para que a desidratação ocorresse (Morais et al, 2019;Almeida et al, 2021;Leite et al, 2022), pois há incrementos na difusividade de umidade do interior para a superfície do material, o que levou a uma perda de massa do produto por dessorção (Resende et Este é um artigo publicado em acesso aberto sob uma licença Creative Commons. al., 2018;Moura et al, 2021).…”