Comportamento higroscópico de subprodutos agroindustriais para sua conversão em produtos de valor agregado: estudos com bagaço de uva e bagaço de cana-de-açúcar

A valorização de subprodutos agroindustriais constitui uma estratégia importante para o aproveitamento de biomassa, a redução da geração de resíduos e o desenvolvimento de produtos de maior valor agregado. Entretanto, antes de sua utilização em diferentes rotas de valorização, esses materiais necessitam de condições adequadas de estabilização, armazenamento e processamento. Nesse contexto, o conhecimento do comportamento higroscópico e das propriedades de sorção de água é fundamental para o planejamento de operações de secagem e armazenamento. Esta tese teve como objetivo estudar o comportamento higroscópico de subprodutos agroindustriais, com ênfase no bagaço de cana- de-açúcar e nos bagaços de uva das cultivares Bordô e Merlot, visando gerar informações para sua estabilização e posterior valorização. O Capítulo 1 apresenta uma revisão sobre subprodutos agroindustriais, com destaque para os bagaços de cana-de-açúcar e de uva, abordando sua geração, composição, potencial de aproveitamento e os fundamentos relacionados à atividade de água, umidade de equilíbrio e isotermas de sorção, bem como os principais modelos matemáticos utilizados para sua descrição. No Capítulo 2, foram determinadas as isotermas de adsorção e dessorção de água do bagaço de cana-de-açúcar em temperaturas representativas das condições de armazenamento e secagem. O material apresentou composição predominantemente lignocelulósica, com 44,54 ± 1,23% de celulose, 23,21 ± 1,24% de hemicelulose e 24,60 ± 0,68% de lignina, além de 4,12 ± 0,00% de extrativos, 2,00 ± 0,17% de cinzas e 0,81 ± 0,02% de proteínas, em base seca. As isotermas apresentaram comportamento sigmoidal do Tipo II, com aumento do teor de umidade de equilíbrio com a atividade de água e redução com o aumento da temperatura. Entre os modelos avaliados, o GAB apresentou desempenho satisfatório e foi selecionado para representar o comportamento de sorção. O calor isostérico líquido de sorção aumentou com a redução do teor de umidade, variando de 5.156,14 a 18.935,76 J mol−1 na adsorção e de 6.445,17 a 23.669,69 J mol−1 na dessorção, indicando maior intensidade das interações entre água e matriz sólida em baixos teores de umidade. No Capítulo 3, o comportamento de sorção dos bagaços de uva Bordô e Merlot foi comparado em condições de armazenamento e secagem. Ambos os materiais apresentaram composição lignocelulósica, com diferenças na composição química associadas a diferentes comportamentos higroscópicos. O BGP apresentou 13,723 ± 0,191% de celulose, 18,461% de hemiceluloses, 40,640% de lignina e 4,459 ± 0,125% de extrativos, enquanto o MGP apresentou 14,062 ± 0,156%, 16,039%, 39,567% e 5,337 ± 0,024%, respectivamente. O MGP apresentou maiores teores de compostos fenólicos totais (68,86 ± 0,74 mg GAE 100 g−1) e antocianinas monoméricas totais (5,10 ± 0,10 mg M3G 100 g−1), além de maior capacidade antioxidante, enquanto o BGP apresentou maior higroscopicidade. As isotermas também apresentaram perfil sigmoidal do Tipo II, e o modelo GAB proporcionou ajuste satisfatório aos dados experimentais, com R2 ajustado superior a 0,9921 e RMSE igual ou inferior a 0,0084. O bagaço Merlot apresentou maiores valores de calor isostérico líquido de sorção, atingindo 14.762,74 J mol−1 na adsorção e 18.935,76 J mol−1 na dessorção. Em conjunto, os resultados demonstram que as isotermas de sorção e sua modelagem constituem ferramentas importantes para compreender a interação entre água e subprodutos agroindustriais e para estabelecer condições adequadas de secagem e armazenamento. As informações obtidas contribuem para a estabilização dos materiais e podem subsidiar o dimensionamento de operações e sua posterior utilização em diferentes estratégias de valorização, com potencial para reduzir perdas e ampliar o aproveitamento tecnológico de resíduos agroindustriais.

Resumo (inglês)

The valorization of agro-industrial by-products constitutes an important strategy for biomass utilization, reducing waste generation, and developing higher value-added products. However, prior to their use in different valorization routes, these materials require appropriate conditions for stabilization, storage, and processing. In this context, understanding hygroscopic behavior and water sorption properties is essential for planning drying and storage operations. This thesis aimed to study the hygroscopic behavior of agro-industrial by-products, with emphasis on sugarcane bagasse and grape pomaces from the Bordô and Merlot cultivars, with the purpose of generating information for their stabilization and subsequent valorization. Chapter 1 presents a review of agro-industrial by-products, with emphasis on sugarcane and grape pomaces, addressing their generation, composition, utilization potential, and the fundamentals related to water activity, equilibrium moisture content, and sorption isotherms, as well as the main mathematical models used for their description. In Chapter 2, water adsorption and desorption isotherms of sugarcane bagasse were determined at temperatures representative of storage and drying conditions. The material presented a predominantly lignocellulosic composition, with 44.54 ± 1.23% cellulose, 23.21 ± 1.24% hemicellulose, and 24.60 ± 0.68% lignin, in addition to 4.12 ± 0.00% extractives, 2.00 ± 0.17% ash, and 0.81 ± 0.02% protein, on a dry basis. The isotherms exhibited a sigmoidal Type II behavior, with an increase in equilibrium moisture content with increasing water activity and a decrease with increasing temperature. Among the models evaluated, the GAB model showed satisfactory performance and was selected to represent the sorption behavior. The net isosteric heat of sorption increased with decreasing moisture content, ranging from 5,156.14 to 18,935.76 J mol⁻¹ for adsorption and from 6,445.17 to 23,669.69 J mol⁻¹ for desorption, indicating greater intensity of interactions between water and the solid matrix at low moisture contents. In Chapter 3, the sorption behavior of Bordô and Merlot grape pomaces was compared under storage and drying conditions. Both materials exhibited a lignocellulosic composition, with differences in chemical composition associated with distinct hygroscopic behaviors. BGP presented 13.723 ± 0.191% cellulose, 18.461% hemicellulose, 40.640% lignin, and 4.459 ± 0.125% extractives, whereas MGP presented 14.062 ± 0.156%, 16.039%, 39.567%, and 5.337 ± 0.024%, respectively. MGP presented higher contents of total phenolic compounds (68.86 ± 0.74 mg GAE 100 g⁻¹) and total monomeric anthocyanins (5.10 ± 0.10 mg M3G 100 g⁻¹), as well as greater antioxidant capacity, whereas BGP exhibited greater hygroscopicity. The isotherms also exhibited a sigmoidal Type II profile, and the GAB model provided a satisfactory fit to the experimental data, with an adjusted R² greater than 0.9921 and an RMSE equal to or lower than 0.0084. Merlot grape pomace presented higher net isosteric heat of sorption values, reaching 14,762.74 J mol⁻¹ for adsorption and 18,935.76 J mol⁻¹ for desorption. Overall, the results demonstrate that sorption isotherms and their modeling constitute important tools for understanding the interaction between water and agroindustrial by-products and for establishing appropriate drying and storage conditions. The information obtained contributes to the stabilization of these materials and may support the design of processing operations and their subsequent use in different valorization strategies, with the potential to reduce losses and expand the technological utilization of agro-industrial residues.

Palavras-chave

Isotermas de sorção Atividade de água Umidade de equilíbrio Secagem Armazenamento Sorption isotherms Water activity Equilibrium moisture content Drying Storage

Idioma

Português

Citação

BEZERRA, Iaquine Maria Castilho. Comportamento higroscópico de subprodutos agroindustriais para sua conversão em produtos de valor agregado: estudos com bagaço de uva e bagaço de cana-de-açúcar. 2026. Tese (Doutorado em Alimentos, Nutrição e Engenharia de Alimentos) – Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, São José do Rio Preto, 2026.