Study of the steam agglomeration process and loss of quality of cocoa beverage powder by caking

Orientadores: Florencia Cecilia Menegalli, Maria Isabel RodriguesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Os achocolatados em pó são formulados com a mistura de cacau, açúcar, maltodextrina e aromas, podendo conter derivados lácteos. Para se obter uma adequada reconstituição em líquidos, os achocolatados são submetidos aos processos de lecitinação (adição de um agente tensoativo: lecitina de soja) e aglomeração com vapor. Um dos objetivos desse estudo foi o de avaliar os efeitos das variáveis do processo de aglomeração com vapor (pressão do vapor, temperatura do secador rotativo, vazão de sólidos da alimentação e frequência de rotação do secador) sobre as características físicas e físico-químicas de achocolatados em pó. A aglomeração com vapor levou a um aumento do diâmetro médio de partículas, sendo mais pronunciado no produto formulado com o açúcar moído. O processo foi responsável pelo escurecimento e redução da umidade dos achocolatados, além da diminuição dos tempos de molhabilidade. Adicionalmente foi caracterizada a morfologia dos grânulos de achocolatado, obtidos em diferentes condições operacionais do aglomerador (máxima, média e mínima), utilizando os descritores de tamanho e forma. Os resultados mostraram que não existe diferença entre os descritores de forma e quanto aos descritores de tamanho verificou-se diferença entre as condições de processo para grânulos maiores que 600 ?m. Concluiu-se que os grânulos de achocolatado aglomerados apresentaram formato alongado. Foram também determinadas as transições de fase e as temperaturas de transição vítrea (Tg) de achocolatados em pó e dos seus principais constituintes. Durante a aglomeração com vapor a alta temperatura levou o açúcar moído a uma condição acima da sua Tg, passando a ser esse componente um veículo para a granulação. A Tg da maltodextrina é pequena em atividades de água elevadas (Tg= - 4,9 °C; Aa= 0,843), o que também a torna um veículo para o processo de aglomeração. No cacau em pó alcalino foi observada a fusão da manteiga de cacau (aparecimento das formas polimórficas ?v e ?). Para o achocolatado lecitinado verificou-se que a Tg aumenta com o incremento da atividade de água do meio, portanto para esse tipo de produto a água, ao ser adsorvida, não consegue interagir com o material, não sendo verificado o efeito plasticizante. Para o achocolatado aglomerado com vapor verificou-se que a Tg diminuiu com o aumento da atividade de água do meio (efeito plasticizante). A evolução do caking dos constituintes dos achocolatados mostrou que o cacau em pó apresentou baixa higroscopicidade (pequeno aumento do ângulo de repouso com o tempo), pequena formação de aglomerados e a ausência do caking. A medida da força de compressão dos agregados formados mostrou que a sacarose formou pontes mais rígidas entre as partículas que a maltodextrina. Foi também monitorada a estabilidade de achocolatados em pó lecitinados e aglomerados com vapor, estocados a 25 e 35 °C, numa umidade relativa de 84%, buscando-se simular um clima quente e úmido (região norte do Brasil). Ao longo do tempo, verificou-se aumento do ângulo de repouso e escurecimento dos produtos. O achocolatado lecitinado mostrou-se mais susceptível ao empedramento que o aglomerado, com a formação de grumos a partir do 63° dia de armazenamentoAbstract: Cocoa beverage powders consist of a mixture of cocoa, sugar, maltodextrin, flavors, and may contain dairy products. To obtain products with adequate reconstitution in liquids, the cocoa beverage powders are subjected to the processes of lecithination (addition of the surfactant soy lecithin) and steam agglomeration. One objective of this study was to evaluate the effects of the main variables of the steam agglomeration process (vapor pressure, temperature of rotary dryer, solid feed rate and dryer rotation frequency) on the physical and physicochemical characteristics of cocoa beverage powders. The steam agglomeration led to an increased average particle diameter, being more pronounced in the product formulated with granulated sugar. The process was responsible for powder darkening, reduction of the product¿s moisture and decrease in the wettability. Additionally, the morphology of the cocoa beverage powder granules was characterized in different operating conditions of the steam agglomerator (maximum, average and minimum) using the descriptors of size and shape. There were no differences between the shape descriptors and as to the size descriptors there were differences in the process conditions studied for the granules of size above 600 ?m. It was observed that the steam agglomerated cocoa beverage granules had a more elongated shape. It was also determined phase transitions and the glass transition temperature (Tg) of cocoa beverage powders and the main constituents of these products. During the steam agglomeration, the high temperature led the granulate sugar to a condition above its Tg, making this ingredient a granulation vehicle. The Tg of maltodextrin is small at higher water activities (Tg = - 4.9 °C, aw = 0.843), which makes this ingredient a vehicle for the agglomeration process. For the alkaline cocoa powder the phase transition observed is the melting of the cocoa butter with the appearance of polymorphic forms ? and ?v. For the lecithinated cocoa beverage powder, it was verified that the Tg increases with the increasing of the water activity, which leads to the conclusion that for this type of product the adsorbed water cannot interact with the material, and the plasticizing effect is not noted. For the steam agglomerated cocoa beverage powder it was observed that the Tg decreases with increasing water activity (plasticizing effect). The evolution of the caking for the constituents of cocoa beverage powders showed that the cocoa powder had low hygroscopicity (small increase of the repose angle with time), little formation of granules and the absence of caking. The measurement of the compression strength of the aggregates showed that sucrose formed bridges more rigid between the particles than maltodextrin. Stability of lecithinated and steam agglomerated cocoa beverage powders stored at 25 and 35 °C, in a relative humidity of 84%,was also monitored, in order to simulate hot and humid climates (like northern Brazil). Overtime, it was observed increase of the repose angles and products darkening. The lecithinated cocoa beverage powder was more susceptible to caking than the steam agglomerated product, with the formation of lumps from the 63th day of storageDoutoradoEngenharia de AlimentosDoutora em Engenharia de Alimento