Tomografia Computadorizada por Raios X em Engenharia Alimentar
A tomografia computacional pode ser aplicada em múltiplas áreas da indústria, inclusive na indústria alimentas, á qual traz inúmeras vantagens, como na medição das propriedades de alimentos de forma não destrutiva.
Por norma, produtos alimentares tem estruturas mais delicadas, com paredes finas e alta porosidade interna. A medição dessas estruturas é importante para testes de desenvolvimento de novos produtos, benchmarking de produtos e resolução de problemas. A tomografia computadorizada é uma técnica que permite visualizar e medir a estrutura interna de alimentos sem qualquer preparação destrutiva da amostra. As técnicas convencionais de geração de imagens geralmente produzem imagens em 2D da superfície ou seção transversal de uma amostra. Os métodos existentes implicam trabalho intensivo de preparação, por exemplo, corte de secções muito finas ou fixação química para produzir contraste, são frequentemente usadas para preparar amostras para esses procedimentos de imagem 2D.
No entanto, esses processos geralmente são destrutivos e as informações 2D resultantes são muitas vezes insuficientes para tirar conclusões sobre a estrutura 3D. Além disso, essas técnicas destrutivas podem introduzir artefactos que prejudicam a análise. A tomografia computadorizada pode superar esses problemas fornecendo imagens 3D.
Aspetos técnicos da imagem por tomografia
Os produtos alimentares são colocados num suporte e expostos a um feixe de raios-X, enquanto rodam 360°. Os raios X são absorvidos pelo produto. Quando maior é a densidade de cada região, maior será a taxa de absorção e regiões de maior espessura causam maior atenuação do que as regiões mais finas. Uma série de projeções de sombra são registadas. A imagem de sombra produzida em cada ângulo fornece informações sobre as dimensões e a densidade do produto nessa orientação. Um software especializado é usado para reconstruir a forma 3D a partir de uma série de imagens de projeção de sombra.
No exemplo temos a imagem 3D de uma abóbora. As posições na amostra representam diferentes planos de corte do objeto. É possível visualizar a polpa, sementes e zona fibrosa, bem como uma zona oca. O modelo 3D pode ser analisado através de software, podendo obter informações importantes da estrutura interna, porosidade e determinar dimensões.
Distribuição da composição
O contraste na imagem por tomografia computadorizada deve-se à composição atômica do produto analisado. Elementos mais pesados são atenuadores de raios X ao contrário de elementos mais leves. Ao nível atômico, a maioria dos alimentos é composta de carbono, oxigênio e nitrogênio. Esses três elementos têm massas muito e atenuam os raios X de maneira semelhante. Apesar de, geralmente, não ser possível distinguir componentes, como por exemplo, proteínas ou açúcares, existe contraste suficiente para distinguir elementos mais pesados, como sais. Essa tecnologia também funciona bem para produtos como emulsões e espumas, onde é possível observar porosidades e cavidades.
Medição de propriedades alimentares
Distribuição do tamanho dos poros - bolhas discretas
As estruturas porosas existem dentro de muitas categorias de produtos alimentares, por exemplo em produtos de panificação, mousses e emulsões. O tamanho e a distribuição de bolhas são importantes para o tamanho, forma, estrutura e textura do produto em geral. A distribuição do tamanho da bolha influencia fortemente a textura dos produtos e, portanto, é um importante atributo sensorial. Consequentemente, é vital entender a distribuição de tamanho das bolhas nos alimentos porosos.
O tipo de estrutura da bolha também é importante. Alguns produtos, como alguns tipos de chocolate, contêm bolhas discretas no seu interior, em oposição a produtos, como o pão, que contêm uma rede interconectada de bolhas. A tomografia oferece uma rota para caracterizar o tamanho e o tipo de distribuição das bolhas sem métodos de preparação trabalhosos, que podem danificar a estrutura.
Além de permitir a obtenção de imagens de forma não destrutiva, a tomografia permite a análise quantitativa de estruturas porosas. Para além da determinação do volume ocupado por toda a estrutura, pode ser determinado ainda o volume ocupado por cada bolha. Vários parâmetros estruturais podem então ser calculados com base nessas informações. Por exemplo, para um pedaço de chocolate: se o volume total determinado for de 5.696 mm3 e o volume total de bolhas for de 1.348 mm3, a porosidade corresponde a 23,7%. É possível saber o número de bolhas medidas (exemplo: 6.848 bolhas), o que corresponderia a 1,2 bolhas por mm3.
Na figura seguinte, pode observar-se a distribuição de tamanho das bolhas. É possível observar que neste caso bolhas maiores estão localizadas apenas no centro e que as bolhas menores são distribuídas uniformemente por todo o interior. Algumas pequenas bolhas também estão presentes ao redor, em direção à base do produto.
Distribuição de redes abertas
Também é possível medir a distribuição de dimensão para estruturas porosas abertas, como no pão e bolos. Essas redes porosas normalmente têm uma forma complexa e interconectada. Para obter informações significativas sobre a dimensão da rede interna, um parâmetro chamado "separação de estrutura" é frequentemente calculado. Um procedimento análogo pode ser realizado na fase sólida do produto para calcular a distribuição das espessuras da parede. Também é possível medir a mudança na estrutura em função da altura através de um produto e a anisotropia (direção) dos poros.
Produtos congelados
É importante que as amostras permaneçam estáticas durante o scan para evitar artefactos relacionados ao movimento da amostra. Isso pode trazer dificuldades para amostras mais fluidas. Uma forma de superar essa dificuldade é congelar amostras antes da digitalização e, portanto, estáticas, durante a digitalização.
Aplicações na indústria de alimentos
A análise da estrutura de alimentos é importante durante os ensaios de investigação e desenvolvimento de novos produtos. Outra aplicação da tomografia computorizada é durante o benchmarking do produto, em que é importante caracterizar os produtos da maneira mais completa possível, de forma a identificar atributos específicos que precisam ser alterados para melhor corresponder ao produto de destino.
Diferenças na estrutura podem resultar em desvios sensoriais indesejados. Esta tecnologia também pode ser aplicada como ferramenta para resolução de problemas. Os dados estruturais fornecidos pela tomografia são complementares a outros métodos experimentais comumente usadas na indústria alimentar, como a análise de texturas, e podem apoiar na sua interpretação. Por exemplo, a análise de textura num produto pode revelar que é mais firme que um produto concorrente. A tomografia pode ser usada para entender qual aspeto estrutural é diferente entre as duas amostras, por exemplo, pode ser porque o produto mais firme possui uma estrutura de parede mais espessa.
Processos dinâmicos de criação de imagens
É possível usar tomografia durante processos dinâmicos, captando uma série dados para processos com escalas de tempo médio. Por exemplo, durante a prova e o cozimento de pão para visualizar a formação de crostas. Imagens de bolos durante o processo de cozimento podem ajudar a identificar como defeitos são formados. Em escalas de tempo mais longas, imagens não destrutivas de produtos, como mousses, podem ser feitas em várias ocasiões durante o prazo de validade para avaliar a estabilidade das estruturas.
Modelagem da estrutura alimentar
A tomografia computadorizada pode ser usada para fornecer dados para a modelagem por elementos finitos (FEM). Também é possível exportar imagens 3D de instrumentos para uso em impressão 3D.
Modelos de mecânica estrutural são usados em muitas aplicações de engenharia mecânica. No entanto, também é útil para o design de embalagens alimentares, de modo a garantir proteção mecânica ao produto, mantendo a praticidade de abertura e garantindo o uso de quantidades ótimas de material, reduzindo custos e o impacto ambiental.
A modelagem das propriedades mecânicas dos próprios alimentos também é útil de forma a entender quais os efeitos na textura e modelar a interação com equipamentos e embalagens de processamento. Por exemplo, para garantir que a carga durante o transporte seja suficientemente baixa para evitar danos ao produto. Os produtos e processos alimentares são cada vez mais complexos, no entanto, a disponibilidade de tecnologias de análise tem vindo a aumentar. Os dados de tomografia computadorizada combinados com a MEF fornecem uma rota para o desenvolvimento de produtos alimentares complexos, reduzindo a necessidade de longos testes piloto.
Outras aplicações
A tomografia não se limita à pesquisa da estrutura alimentar. Existem várias outras aplicações relevantes para alimentos, por exemplo, investigação de corpos estranhos. A abordagem tradicional para isso envolve a remoção do objeto do produto alimentício para análise destrutiva. Esta técnica pode ser usada na identificação do objeto e onde está situado no interior do produto alimentar, sem o destruir. Portanto, é possível obter informações a estrutura e como, o objeto, foi introduzido na cadeia produtiva. Por exemplo, se um corpo estranho fosse introduzido num produto de panificação antes do cozimento, a estrutura que envolve o corpo estranho estaria intacta. Se fosse introduzido no produto posteriormente, seriam visíveis fissuras e distúrbio da estrutura. Esta técnica também pode ser usada para investigar inconformidades na embalagem. Por exemplo, fugas em tampas de garrafa podem ser investigados quanto a falhas, sem a necessidade de as abrir.
Conclusões
A tomografia computadorizada oferece soluções para uma vasta gama de problemas em que é necessário ter acesso ao interior do produto em 3D, sem necessidade de os destruir. Pode ser aplicada para determinar a dimensão de poros e a distribuição de espessura da parede em vários tipos de produtos alimentares, bem como no desenvolvimento de produtos e controlo de qualidade e processos.
