outubro de 2013
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
José Filipe Gonçalves Maciel
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
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Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Biológica Ramo de Tecnologia Química e Alimentar
Trabalho realizado sob a orientação do Professor Doutor António Augusto Martins de Oliveira Soares Vicentee do Doutor Tiago Luís Monteiro Brandão
outubro de 2013
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
José Filipe Gonçalves Maciel
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
ii
DECLARAÇÃO
Nome: José Filipe Gonçalves Maciel
Endereço eletrónico: [email protected]
Número do Bilhete de Identidade: 13737702
Título dissertação: Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-
VIS-SWNIR
Orientador(es):
Professor Doutor António Augusto Martins de Oliveira Soares Vicente
Doutor Tiago Luís Monteiro Brandão
Ano de conclusão: 2013
Designação do Mestrado: Mestrado Integrado em Engenharia Biológica – Tecnologia
Química e Alimentar
DE ACORDO COM A LEGISLAÇÃO EM VIGOR, NÃO É PERMITIDA A
REPRODUÇÃO DE QUALQUER PARTE DESTA DISSERTAÇÃO.
Universidade do Minho, ___/___/______
Assinatura: ________________________________________________
iii
Declaração RepositóriUM: Dissertação de Mestrado
Nome: José Filipe Gonçalves Maciel
N.º do Cartão de Cidadão/BI: 13737702 Telefone/Telemóvel: 253882027/934740166
Correio eletrónico: [email protected]
Curso: Mestrado Integrado em Engenharia Biológica Ano de conclusão da dissertação:2013
Área de Especialização: Tecnologia Química e Alimentar
Escola de Engenharia, Departamento/Centro: Engenharia Biológica
TÍTULO DA DISSERTAÇÃO
Título em PT: Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
Título em EN: Monitoring beer production by UV-VIS-SWNIR spectroscopy
Orientador: António Augusto Martins de Oliveira Soares Vicente e Tiago Luís Monteiro Brandão
Número de Unidades ECTS da Dissertação: 30 Classificação em valores (0 a 20): 19
Classificação ECTS com base no percentil (A a F):_______________________________________
Declaro sob compromisso de honra que a dissertação agora entregue corresponde à que
foi aprovada pelo júri constituído pela Universidade do Minho, UM.
Declaro que concedo à Universidade do Minho e aos seus agentes uma licença não-
exclusiva para arquivar e tornar acessível, nomeadamente através do seu repositório
institucional, nas condições abaixo indicadas, a minha dissertação, em suporte digital.
Concordo que a minha dissertação seja colocada no repositório da Universidade do
Minho com o seguinte estatuto:
1. Disponibilização imediata do trabalho para acesso universal;
2. Disponibilização do trabalho para acesso exclusivo na UM, durante o período de
1 ano, 2 anos ou 3 anos, sendo que após o tempo assinalado autorizo o acesso
universal.
3. Disponibilização do trabalho de acordo com o Despacho RT-98/2010 c) (embargo 3
anos)
Braga, ___ de _________ de 2013
Assinatura:
_____________________________________________________________________________________
iv
v
Agradecimentos
Gostaria de agradecer a todos que me ajudaram de diversas formas para a conclusão
deste projeto, em particular:
Ao meu orientador da Universidade do Minho, Professor António Vicente, pelos
ensinamentos, disponibilidade, motivação, paciência e apoio prestado durante todas as
fases da atividade.
Ao meu orientador, Doutor Tiago Brandão, pelo apoio e conhecimento sobre processo
cervejeiro, assim como a ajuda prestada no acesso e uso das instalações da Unicer
bebidas S.A..
Ao Doutor Rui Martins por me permitir trabalhar nesta tecnologia.
Ao João Silva pelo apoio na vertente técnica e avaliação de resultados.
Aos funcionários do laboratório central e da adega da Unicer bebidas S.A. pela
paciência e ajuda diária na análise e recolha de amostras, respetivamente.
À minha família, namorada e amigos pelo amor, alegria e atenção.
vi
vii
Resumo
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
A cerveja apresenta-se como um dos produtos de origem biotecnológica mais antiga.
Várias são as etapas que constituem este processo que, mediante pequenas variações,
possibilita a obtenção de produtos diferenciados ou de produtos com baixa qualidade
para o cliente. Face à instabilidade do processo e à necessidade crescente de produções
homogéneas com otimização de tempo e custos, torna-se importante a construção de
novas tecnologias de acompanhamento da produção.
O objetivo deste trabalho foi aplicar e verificar se a tecnologia de fibras óticas, baseada
na espetroscopia UV-VIS-SWNIR, apresenta resultados comparáveis aos métodos de
análise clássicos durante a monitorização da fermentação cervejeira. Dois tipos de
cerveja foram acompanhados quanto aos parâmetros de extrato aparente, graus Plato,
atenuação aparente, álcool, pH, cor e diacetilo. A análise foi realizada por recurso a
fibra ótica, sendo os espetros resultantes tratados para diminuição dos efeitos
dispersivos, usados para o cálculo de perfis fermentativos por PCA e por fim para
construção de calibrações de todos os parâmetros por intermédio do PLS.
A análise por PCA permitiu verificar a distribuição de ambas as cervejas ao longo da
fermentação. Pelo PLS os modelos de calibração que apresentaram melhores valores
foram obtidos para a Super Bock, com valores de R2 entre 0.58 e 0.64, para os
parâmetros de extrato aparente, atenuação, pH e álcool. Apesar de valores de correlação
um pouco afastados dos ideais, verificou-se que a tecnologia mediante melhorias de
processamento e análise apresenta boas perspetivas de aplicação.
Em paralelo com este trabalho estudou-se a aplicação das cartas de controlo de Shewart
ao processo fermentativo, verificando-se que este procedimento não é o ideal em
processos com estas características. Analisou-se também a evolução dos parâmetros
cervejeiros usados nas calibrações, confirmando-se que aqueles que apresentam maior
variabilidade ao longo da fermentação estão associados ao extrato, álcool, pH e
diacetilo.
Palavras-chave: Processo cervejeiro, espetroscopia, UV-VIS-SWNIR, calibrações
multivariadas, cartas de controlo.
viii
ix
Abstract
Monitoring beer production by UV-VIS-SWNIR spectroscopy
The beer presents as one of the oldest products with biotechnological origin. There are
several steps that constitute the brewing process, in which by small variations produce
different products or products with low quality for the customer. Due to the instabilities
of the process and the increasing need of homogenous productions, with time and cost
optimization, the construction of new technologies for monitoring the production
becomes important.
The aim of this work was to apply and to check if spectroscopy UV-VIS-SWNIR with
fiber-optic technology presents comparable results to classic methods of analysis during
the beer production. Two kinds of beer were followed regarding parameters as apparent
extract, Plato degrees, attenuated degree of fermentation, alcohol, pH, color and
diacetyl. The analysis was realized across fiber-optic, and the resulting spectra treated to
reduce the dispersive effects, used to the calculation of PCA fermentative profiles and to
the construction of the calibration models by PLS to all parameters.
The PCA analysis allowed to verify the distribution of both beers along the
fermentation. The PLS calibration models that presented the best values were obtained
to Super Bock with R2 values between 0.58 and 0.64 for parameters of apparent extract,
attenuated degree of fermentation, pH and alcohol. Although the correlation values
being far from the ideal ones, was checked that UV-VIS-SWNIR with some treatments
and data analysis improvements have good perspectives of application.
Beyond this work, was also studied the application of Shewart control charts to the
fermentation. It was concluded that this method is not appropriated to this kind of
process. The evolution of parameters fermentation was also studied, being the most
variables associated to extract, alcohol, pH and diacetyl.
Keywords: beer production, spectroscopy, UV-VIS-SWNIR, multivariate calibrations,
Shewart control charts.
x
xi
Índice
AGRADECIMENTOS ........................................................................................ V
RESUMO ........................................................................................................ VII
ABSTRACT ..................................................................................................... IX
ÍNDICE ............................................................................................................. XI
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................... XIII
ÍNDICE DE TABELAS .................................................................................... XV
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................ XVI
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 1
1.1 Espetroscopia Molecular ........................................................................................................... 1
1.1.1 Tipos de espetroscopia ............................................................................................................. 2
1.1.2 Critérios de escolha da região UV-VIS-SWNIR....................................................................... 9
1.1.3 Aplicações da espetroscopia UV-VIS-SWNIR ....................................................................... 10
1.2 Processo cervejeiro .................................................................................................................. 13
1.2.1 Evolução do processo cervejeiro e da cerveja......................................................................... 13
1.2.2 Matérias-primas ..................................................................................................................... 14
1.2.3 Etapas do processo cervejeiro ................................................................................................ 15
1.2.4 Importância da monitorização da fermentação ....................................................................... 19
1.2.5 Aplicação da tecnologia de UV-VIS-SWNIR ao processo cervejeiro ..................................... 21
1.2.6 Vantagens da espetroscopia UV-VIS-SWNIR........................................................................ 22
2 MATERIAL E MÉTODOS ......................................................................... 25
2.1 Fermentação ............................................................................................................................. 25
2.2 Análises fisico-químicas ........................................................................................................... 25
2.3 Aquisição de espetros ............................................................................................................... 26
2.4 Análise multivariada ................................................................................................................ 28
2.4.1 Pré-tratamento ....................................................................................................................... 28
2.4.2 Análise de componentes principais (PCA) ............................................................................. 29
2.4.3 Regressão por mínimos quadrados parciais (PLSR) ............................................................... 29
2.4.4 Validação cruzada ................................................................................................................. 30
2.5 Cartas de controlo .................................................................................................................... 30
xii
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................... 33
3.1 Monitorização do processo cervejeiro ..................................................................................... 33
3.1.1 Evolução de extrato ............................................................................................................... 33
3.1.2 Evolução do álcool ................................................................................................................ 36
3.1.3 Evolução de pH ..................................................................................................................... 38
3.1.4 Evolução da cor ..................................................................................................................... 39
3.1.5 Evolução do diacetilo ............................................................................................................ 40
3.2 Cartas de controlo .................................................................................................................... 42
3.3 Calibrações multivariadas ....................................................................................................... 43
4 CONCLUSÃO .......................................................................................... 51
5 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................ 53
ANEXOS ......................................................................................................... 59
Parâmetros das cartas de controlo ....................................................................................................... 59
Cartas de controlo ................................................................................................................................ 60
Fase de aceleração .............................................................................................................................. 60
Fase exponencial ................................................................................................................................ 61
Fase de desaceleração ......................................................................................................................... 67
Fase estacionária ................................................................................................................................ 69
xiii
Índice de figuras
Figura 1- Regiões do espetro eletromagnético [2]. .................................................................................... 1
Figura 2 - Modos vibracionais de grupo não linear, CH2 [4]...................................................................... 4
Figura 3 - Representação dos diversos intervalos de frequências, overtones, num espetro de absorção na
região NIR [68]. .............................................................................................................................. 7
Figura 4 - Transições eletrónicas na espetroscopia ultravioleta e visível. ................................................... 8
Figura 5 - Reagentes e produtos envolvidos na fermentação cervejeira [21]. ........................................... 17
Figura 6 - Modelos de sondas segundo o tipo de funcionamento que podem apresentar: (a) sonda de
transmissão; (b) sonda de transfletância; (c) sonda ATR. ............................................................... 22
Figura 7 - Alcolyzer Beer. ....................................................................................................................... 25
Figura 8 - Material usado nas análises: a) espetrómetro; b) sonda; c) fonte de luz; d)sistema completo de
análise; e) suporte de análise. ........................................................................................................ 26
Figura 9 - Pré-tratamento de espetros. ..................................................................................................... 29
Figura 10 - Valores de graus Plato para Super Bock, SB, e Super Bock Stout, SBS. ............................... 33
Figura 11 - Evolução do extrato aparente e densidade da cerveja verde da Super Bock, SB, e Super Bock
Stout, SBS, durante a fermentação. ................................................................................................ 35
Figura 12 - Evolução do ADF% da Super Bock, SB, e Super Bock Stout, SBS, durante a fermentação. .. 36
Figura 13 - Evolução dos valores de álcool durante a fermentação da Super Bock, SB, e Super Bock
Stout, SBS. .................................................................................................................................... 37
Figura 14 - Evolução de pH durante a fermentação da cerveja verde da Super Bock, SB, Super Bock
Stout, SBS. .................................................................................................................................... 38
Figura 15 - Evolução da cor, unidades EBC, durante fermentação da cerveja Super Bock, SB, e Super
Bock Stout, SBS. ........................................................................................................................... 39
Figura 16 - Evolução do diacetilo durante a maturação da cerveja Super Bock, SB, e Super Bock Stout,
SBS. .............................................................................................................................................. 41
Figura 17 - Perfis do PCA para Super Bock e Super Bock Stout na região UV-VIS e VIS-SWNIR......... 43
Figura 18 - Calibrações do PLS para Super Bock no VIS-SWNIR para: a) °Plato; b) álcool; c) ADF%;
d)pH; e) cor; f) extrato aparente; g) diacetilo. ................................................................................ 44
Figura 19 - Calibrações do PLS para Super Bock no UV-VIS para: a) ºPlato; b) álcool; c) ADF%; d)pH;
e) cor; f)extrato aparente; g) diacetilo. ........................................................................................... 45
Figura 20 - Calibrações do PLS para Super Bock Stout no VIS-SWNIR para: a) ºPlato; b) álcool; c)
ADF%; d)pH; e)cor; f) extrato aparente; g) diacetilo. .................................................................... 46
Figura 21 - Calibrações do PLS para Super Bock Stout no UV-VIS para: a) °Plato; b) álcool; c) ADF%;
d) pH; e) cor; f) extrato aparente; g) diacetilo. ............................................................................... 47
Figura 22 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
de aceleração. ................................................................................................................................ 60
Figura 23 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase de
aceleração. .................................................................................................................................... 60
xiv
Figura 24 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
exponencial. .................................................................................................................................. 61
Figura 25 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
exponencial. .................................................................................................................................. 62
Figura 26 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
exponencial. .................................................................................................................................. 63
Figura 27 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
exponencial. .................................................................................................................................. 64
Figura 28 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
exponencial. .................................................................................................................................. 65
Figura 29 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
exponencial. .................................................................................................................................. 66
Figura 30 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
de desaceleração. ........................................................................................................................... 67
Figura 31 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase de
desaceleração. ............................................................................................................................... 68
Figura 32 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
estacionária. .................................................................................................................................. 69
Figura 33 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
estacionária. .................................................................................................................................. 70
Figura 34 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o diacetilo durante a fase
estacionária. .................................................................................................................................. 71
xv
Índice de tabelas
Tabela 1 - Divisão do espetro da região infravermelha. ............................................................................. 3
Tabela 2 - Bandas de infravermelho para moléculas orgânicas [1]. ........................................................... 3
Tabela 3 - Composição química da cevada (% extrato seco). .................................................................. 14
Tabela 4 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock no VIS-
SWNIR. ........................................................................................................................................ 48
Tabela 5 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock no UV-
VIS. .............................................................................................................................................. 48
Tabela 6 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock Stout no
VIS-SWNIR. ................................................................................................................................. 49
Tabela 7 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock no UV-
VIS. .............................................................................................................................................. 49
Tabela 8 - Fatores utilizados para o cálculo dos limites das cartas de controlo dos valores médios, , e dos
desvios, s, de acordo com o número de observações, n, de cada uma das amostras usadas. ............ 59
xvi
Lista de Abreviaturas e Siglas
% (m/m): Percentagem mássica (massa soluto/massa solução).
% (v/v): Percentagem volúmica (volume soluto/volume solução).
°C: Graus Celsius.
°P: Graus Plato.
a.C.: antes de Cristo.
ADF: Grau aparente de fermentação,%,(Apparent degree of fermentation).
AE: Extrato aparente (Apparent extract).
cm: Centímetro.
CSS: Conteúdo em sólidos solúveis.
DNA: Ácido desoxirribonucleico (Deoxyribonucleic acid)
EBC: European Brewery Convention.
EN: Espetro normalizado.
EO: Espetro original.
ɛ: Coeficiente molar de absorção.
FarIR: Infravermelho distante (Far Infrared).
FT-IR: Infravermelho por Transformada de Fourier (Fourier Transform Infrared).
g: Grama.
h: Hora.
IR: Infravermelho (Infrared).
L: Litro.
LCL: Limite de controlo inferior (Lower control limit).
LQ: Limite de quantificação.
mg: Miligrama.
xvii
MidIR: Infravermelho médio (Mid Infrared).
mL: Mililitro.
NIR: Infravermelho próximo (Near Infrared).
nm: Nanómetro.
OE: Extrato original (Original extract).
PC: Componente principal (Principal component).
PCA: Análise de componentes principais (Principal components analysis).
PLSR: Regressão por mínimos quadrados parciais (Partial least square regression).
PRESS: Soma dos quadrados dos resíduos previstos (Predicted residual sums of squares).
RE: Extrato real (Real extract).
RMSC: Correção robusta de espalhamento multiplicativo (Robust mean scattering correction).
s: Desvio-padrão da amostra.
: Linha central da carta de controlo dos desvios-padrão das amostras.
SB: Super Bock.
SBS: Super Bock Stout.
SWNIR: Infravermelho próximo de ondas curtas (Short wave near infrared).
TI: Tempo de integração.
UCL: Limite de controlo superior (Upper control limit).
UV: Ultravioleta (Ultraviolet).
VDK: Dicetonas vicinais (Vicinal diketones)
VIS: Visível (Visible).
: Média da amostra.
: Linha central da carta de controlo dos valores médios das amostras.
xviii
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
1
1 Introdução
1.1 Espetroscopia Molecular
A espetroscopia molecular assenta na proposição da teoria quântica, em que os átomos e
moléculas se encontram organizados em estados, denominados níveis de energia.
Baseado neste pressuposto, a espetroscopia é então a análise da radiação
eletromagnética absorvida, emitida ou dispersa pelos átomos ou moléculas durante as
transições entre os níveis de energia. A frequência da radiação associada a estas
transições é calculada por [1]:
,
sendo a variação de energia entre estados, h a constante de Planck e v a frequência.
As radiações envolvidas neste tipo de alterações, podem então ser usadas para descrever
em concreto a composição e a quantidade dos elementos moleculares presentes nas
amostras. De modo a estudar as diferentes grandezas de separação dos níveis de energia,
várias técnicas podem ser usadas nesta análise, sendo a característica diferenciadora
entre elas o espetro de radiação eletromagnética usado, assim como os efeitos
provocados nas diversas ligações [1], Figura 1.
Figura 1- Regiões do espetro eletromagnético [2].
3 × 10
10 3 × 10
8 3 × 10
6 3 × 10
4 3 × 10
2 3
Raios X Raios Ɣ
Ultra violeta
Visível Infravermelho Microondas Ondas de rádio
Transições electrónicas atómicas
Transições electrónicas
atómicas e moleculares
Vibrações moleculares
Rotações moleculares
Níveis de energia nuclear e magnético
Diminuição de energia
Tipo de radiação
Comprimento de onda (m)
Frequência (MHz)
Níveis de energia das transições adequadas
10 -10
10 -9
10 -8
10 -7
10 -6
10 -5
10 -4
10 -3
10 -2
10 -1
10 0
10 1
10 2
10 3
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
2
1.1.1 Tipos de espetroscopia
1.1.1.1 Espetroscopia de Raman
Descoberta pelo físico C.V. Raman em 1928, fundamenta-se na avaliação do fenómeno
inelástico da dispersão da luz, que resulta na variação de uma pequena fração de
radiação dispersa pelas moléculas, tendo diferente frequência da fonte de luz incidente
[3].
Ou seja, a irradiação de uma molécula com luz monocromática poderá resultar em dois
comportamentos dispersivos, o elástico e o inelástico. No caso do inelástico, este é
acompanhado por uma mudança na frequência dos fotões, devido à excitação ou
desativação das vibrações moleculares. Esta mudança pode resultar num aumento ou
perda de energia para os fotões [3].
Deste comportamento podem originar-se três tipos de fenómenos (dispersão Rayleigh;
anti-Stokes Raman; Stokes Raman) mediante a relação existente entre energia incidente
e dispersa pela molécula, devido aos processos de ganho e perda de energia vibracional
associado à emissão de fotões de luz [3].
Na recolha das informações do espetro Raman poderá usar-se duas tecnologias, a
espetroscopia de Raman e espetroscopia de Raman com transformada de Fourier. Estas
diferem apenas quanto à fonte de luz e a forma como os dados são analisados e
detetados. Várias poderão ser as fontes de luz usadas, como iões árgon e crípton. Para
obtenção de dados satisfatórios, esta técnica deverá ser implementada em moléculas
simétricas e que apresentem mudança de polaridade durante a vibração. Deste modo,
aquelas que apresentam sinal mais intenso serão constituídas por grupos funcionais
como: C-X (X = F, Cl, Br, I), C-NO2, C-S, S-H e CN [3].
1.1.1.2 Espetroscopia IR e FT-IR
A leitura na região IR proporciona um espetro de absorção no intervalo de frequência de
13000 até 10 cm-1
, sendo delimitada pela zona vermelha da radiação visível e pelas
micro-ondas, nas altas e baixas frequências, respetivamente [4].
Esta vasta região pode ser dividida em outras três regiões, o infravermelho próximo
(NIR), o infravermelho médio (midIR) e o distante (FarIR) através das áreas indicadas
na Tabela 1 [4].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
3
Tabela 1 - Divisão do espetro da região infravermelha.
A absorção está associada a transições entre estados de energia vibracional e subestados
rotacionais da molécula. Contudo a absorção de radiação infravermelha só ocorre se a
vibração do momento dipolar das moléculas sofrer alteração [1, 5]. Ou seja, quando a
frequência de vibração específica dos átomos é igual à frequência da radiação IR que
está a incidir na molécula, esta absorve radiação [4].
Cada átomo apresenta 3 graus de liberdade, referentes a cada um dos eixos Cartesianos.
Portanto o número total de uma molécula poliatómica será de 3n graus de liberdade,
sendo n o número de átomos. Eliminando os 3 graus de liberdade necessários para o
movimento no espaço, de translação da molécula, mais outros 3 graus de liberdade para
o movimento de rotação da mesma, pode-se estipular a quantidade de modos
vibracionais que a molécula apresenta [4].
Assim sendo, uma molécula não
linear apresenta 3n-6 modos
vibracionais, enquanto uma
molécula linear apresenta 3n-5,
dado que apenas se descontam 2
graus de liberdade para os
movimentos rotacionais. São
estas variedades de modos
vibracionais que poderão
induzir as variações no
momento dipolar das moléculas
e assim resultar na atividade IR
[4].
Cada pico obtido no espetro de absorção está associado à frequência de vibração que
determinada molécula apresenta. Estas vibrações exprimem-se, maioritariamente, sobre
NIR MidIR FarIR
Frequência (cm -1
) 13000 - 4000 4000 - 200 200 – 10
Comprimento de onda (μm) 0.78 – 2.5 2.5 – 50 50 - 1000
Tabela 2 - Bandas de infravermelho para moléculas orgânicas
[1].
Número de onda (cm-1
)
3700 - 3600 Stretching O – H
3400 - 3300 Stretching N – H
3100 - 3000 Stretching C - H aromático
3000 - 2850 Stretching C – H alifático
2300 - 2050 Stretching C≡C
2300 - 2200 Stretching C≡N
1830 - 1650 Stretching C=O
1650 Stretching C=C
1500 - 650 Região fingerprint
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
4
a mudança na extensão de comprimento (stretching) ou ângulo da ligação (bending), tal
como apresentado na Figura 2 e Tabela 2 [1, 4].
Face a esta diversidade de
comportamentos por parte das moléculas,
a constituição do espetro de IR apresenta-
se diverso, complexo e exprime-se como
um padrão de certos compostos mas
também de certas moléculas [1, 4].
No caso da padronização de compostos,
deve-se ao facto de que o número de
bandas de absorção não é proporcional aos
modos de vibração existentes, dado que
alguns modos não são ativos ao IR, assim
como uma frequência pode originar mais
que um modo de vibração. Para além
disso, é normal ocorrerem bandas que
resultam de diferenças de frequências
fundamentais, interações acopladas de
duas frequências de absorção
fundamentais, múltiplos integrais de
frequências de absorção fundamentais
(overtone), entre outros [4].
Quanto às moléculas, o conjunto de vibrações quantificadas ao longo de grande parte ou
toda a estrutura desta, permite avaliar este comportamento como vibrações esqueléticas
da molécula. Deste modo, as bandas associadas a estas vibrações permitem reconhecer a
molécula como um todo, e não apenas uma parte/grupo da estrutura [1].
A espetroscopia de FTIR é a técnica mais usada, e baseia-se na análise de sinais
denominados interferogramas, ou seja, resulta da interferência entre dois feixes de luz,
que são produzidos pela passagem do mesmo feixe de luz pelo interferómetro. Estes
sinais são produzidos em função das variações ocorridas no comprimento do percurso
Stretching
assimétrico
Stretching
simétrico
Bending no plano
scissoring
Bending fora de plano
wagging
Bending fora de plano
twisting
Bending no plano
rocking
Figura 2 - Modos vibracionais de grupo não
linear, CH2 [4].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
5
entre os dois feixes. Através da Transformada de Fourier estes sinais são tratados,
podendo então obter o espetrograma final de absorção [1].
1.1.1.3 Espetroscopia NIR
Tal como referido anteriormente, esta secção está compreendida entre 780 e 2500 nm
[6–9] proporcionando maior quantidade de informação relacionada com o
comportamento vibracional das ligações químicas [8].
As bandas espetrais resultantes são devidas a overtones, transições entre estados
vibracionais não contíguos devido ao comportamento de anarmonicidade, e à
combinação de vibrações fundamentais na região média do infravermelho [6–9].
A vibração das moléculas pode ser descrita pelo modelo de oscilador harmónico, onde a
energia de diferentes níveis energéticos equidistantes pode ser calculado por [9],
(
)
√
onde v é o número quântico vibracional, h a constante de Planck, k a constante de força
e μ a massa reduzida dos átomos de ligação. Considera-se que apenas as transições entre
níveis de energia consecutivos (∆v = ±1) que causam alterações no momento dipolar são
possíveis [9],
sendo v a frequência vibracional fundamental da ligação, que resulta numa banda de
absorção na região média do infravermelho.
Contudo, o modelo do oscilador harmónico não consegue explicar o comportamento das
moléculas atuais, dado não levar em consideração a repulsão de Coulomb entre átomos
ou dissociação de átomos. Deste modo, o modelo que melhor se adequa será o oscilador
anarmónico, em que os níveis de energia não estão igualmente espaçados,
proporcionando então uma diminuição da variação de energia com o aumento de v:
( )
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
6
onde y é o fator de anarmonicidade. Este comportamento pode resultar em transições
entre estados de energia vibracional, overtones, onde ∆ν=±2, ∆ν=±3... [9].
Estas bandas apresentam-se muito mais fracas quando comparadas com as bandas de
transições fundamentais verificadas na região média do IR. Dependendo da ligação em
causa, a diferença poderá ser entre 10 a 100 vezes [7, 9], sendo a secção do espetro
predominante entre os 780 e 2000 nm, consoante o nível de overtone, a força e natureza
da ligação [9].
Em relação ao outro tipo de bandas presente na região NIR, as bandas de combinação,
estas resultam das moléculas poliatómicas. Podem originar vários modos de vibração
que ao interagirem resultam em mudanças simultâneas de energia dando origem às
bandas de absorção. Estas bandas exprimem-se na região dos 1900 a 2500 nm, sendo
que a frequência de cada banda é o somatório das várias frequências que interagem [9].
Quanto à intensidade de absorção, este fenómeno está diretamente associado à alteração
do momento dipolar assim como à anarmonicidade. Deste modo, ligações moleculares
com átomos leves, como o caso do hidrogénio, apresentam uma elevada absorção na
região NIR, como por exemplo, C-H, O-H, N-H e S-H [1, 6–9]. Isto explica-se pelo
facto de quanto mais leves forem os átomos, maior será a vibração, e por conseguinte
maior o desvio ao comportamento harmónico. Por este princípio, ligações do género
C=O, C-C e C-Cl têm absorções fracas [9].
Para além da informação química, informação física como densidade, viscosidade, entre
outras, pode ser determinada, dado que a estrutura cristalina consegue ser identificada.
Esta identificação surge do facto de que as interações entre átomos de diferentes
moléculas alteram os estados de energia vibracional, alterando e dando origem a novas
bandas de absorção, através de modificações de estrutura [9].
Comparativamente com o mid-IR, o espetro NIR apresenta maior dificuldade de
diferenciação e atribuição das bandas de absorção geradas. Os efeitos que causam estes
problemas, são meio para a distinção de estruturas bastante semelhantes, pois permitem
verificar as diferenças subtis entre as estruturas próximas, mesmo quando as bandas são
extensas e sobrepostas [7].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
7
O espetro NIR pode ser subdividido em duas regiões. A primeira, e de maior interesse
para a atividade, é o infravermelho próximo de ondas curtas (SWNIR), 600 a 1100 nm,
que é considera como banda de absorção para o maior overtone, enquanto a região
normal NIR, a 1300 nm, tem bandas de absorção para overtones inferiores (primeiro e
segundo) [8].
Tendo em conta que a intensidade de absorção diminui com o aumento do overtone, o
SWNIR é mais usado na análise de transmissão com longos caminhos, enquanto a outra
região é usada para análises de reflexão difusa [8], Figura 3.
A aquisição de dados na região NIR pode ser realizada de diversas formas consoante a
intenção e finalidade, destacando-se a transmitância, interactância, transfletância,
transmitância difusa e refletância difusa [6].
1.1.1.4 Espetroscopia UV-VIS
Esta secção do espetro compreende dois tipos de radiação. A radiação ultravioleta (UV)
situa-se, aproximadamente, no intervalo de absorção de 200 a 400 nm, enquanto a
radiação visível (VIS) entre os 400 e 800 nm. A absorção no UV-VIS está associada a
transições eletrónicas entre os diferentes níveis de energia a partir dos níveis
moleculares [1, 2, 10].
Várias transições eletrónicas são admitidas, apresentando um coeficiente molar de
absorção (ε) acima de 10000, uma grande probabilidade de ocorrência e grande
Figura 3 - Representação dos diversos intervalos de frequências, overtones, num espetro de absorção na
região NIR [68].
3º Overtone
2º Overtone
1º Overtone
Combinação
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
8
absorção, desde que o spin do eletrão varie e a simetria não se altere durante a transição
[1, 2]. Contudo, devido a considerações de simetria, existem algumas transições que
ocorrem e apresentam comportamento contrário às anteriores. São muito comuns apesar
de apresentar probabilidade de ocorrência muito baixa, com ε por norma inferior a 1000,
e bandas de absorção muito baixas. Estes casos sucedem-se quando na estrutura da
molécula estão presentes grupos funcionais com capacidade de absorção de radiação
UV-VIS, denominados cromóforos. Exemplo de algumas transições onde isto se
verifica são as n→π* no grupo carbonilo e π→π* nos compostos aromáticos [1, 2].
Por parte das moléculas orgânicas, estas transições encontram-se associadas a eletrões
não ligados (n) ou eletrões presentes em orbitais moleculares encontradas de moléculas
insaturadas [10]. A absorção na região UV-VIS resulta da excitação de eletrões que
passam de orbitais moleculares elevadas (orbital não ligante n e orbital ligante π) para
orbitais moleculares inferiores e livres (orbitais antiligantes π* e σ*) [1]. As transições e
a relação energética entre orbitais pode ser vista na Figura 4.
As ligações químicas apresentam determinadas condições orbitais, que permitem obter
diferentes energias de transição a diferentes comprimentos de onda [11]. Contudo a
energia exata de variação entre orbitais torna-se de difícil previsão, dado estar
dependente dos diferentes grupos de átomos existentes assim como da ligação entre eles
[2].
Se do ponto de vista quantitativo é difícil obter conclusões, do ponto de vista qualitativo
pode-se afirmar que as transições mais comuns são as n → σ* (190 nm), associadas a
ligações moleculares com O, N, S e halogéneos, assim como as transições n → π* (300
Figura 4 - Transições eletrónicas na espetroscopia ultravioleta e visível.
Antiligantes
Ligantes
Ener
gia
Transições Níveis energéticos
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
9
nm) e π → π* (180 nm), referentes a moléculas com ligações duplas ou conjugadas com
ligações duplas, como o caso dos compostos aromáticos que são os melhores
absorvedores [2, 10].
Para além destas ligações podem-se ainda enumerar outras, que são possíveis de
verificar devido à variedade presente nas amostras. Por exemplo, os alcanos (σ→ σ*;
150 nm) e as ligações carbonilo (σ→ π*; 170 nm) [11].
A leitura eficiente nas regiões, anteriormente, referidas permite uma grande
aplicabilidade da UV-VIS na leitura das moléculas orgânicas pois estas apresentam uma
grande presença das ligações carbonilo e ligações insaturadas. Como exemplo podem
ser referidos: os aminoácidos, os fosfolípidos, ácidos gordos livres, fenóis e os
flavonoides, os peróxidos, os péptidos, as proteínas e os açúcares [11].
A aplicação do UV-VIS acarreta também a exploração de outras propriedades, quer para
algumas moléculas, quer para o estado microbiológico das células. No primeiro caso, a
existência de grupos cromóforos permite um aumento de absorção nesta região. Este
comportamento deve-se aos grupos nitro, nitroso, azo, azo-amino, azoxi, carbonilo e
tiocarbonilo. No caso dos microrganismos, o registo da saída e retorno das orbitais por
parte dos eletrões, resultando em comportamentos vibracionais e de rotação, permite o
aumento de reações fotoquímicas e de fluorescência identificando assim
microrganismos [11].
1.1.2 Critérios de escolha da região UV-VIS-SWNIR
Tendo em conta a descrição de tecnologia realizada anteriormente, aquela que será mais
abordada neste trabalho utilizará a região UV-VIS-SWNIR. Esta escolha baseia-se nas
qualidades químicas que a cerveja apresenta, sendo estas apresentadas nos próximos
capítulos.
Comparativamente com outras tecnologias, como a FTIR, prevê-se que a região UV-
VIS-SWNIR apresente maior sensibilidade para soluções como a cerveja, ou seja, que
são constituídas à base de água. Isto explica-se pois em FTIR, uma das técnicas mais
amplamente usadas, a radiação é fortemente absorvida pelas moléculas de água,
influenciando os resultados finais no que toca à sensibilidade do estudo dos
componentes que constituem a restante solução [11].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
10
Deste modo, o facto da região UV-VIS-SWNIR apresentar-se como altamente sensível,
sendo regularmente usada como técnica de análise de medição de metabolismo de
leveduras [11], mais precisamente, componentes químicos como o açúcar, gorduras,
proteínas, análise de atributos de qualidade, como viscosidade, assim como as
propriedades de extrato seco e o conteúdo em sólidos solúveis (CSS), torna esta
tecnologia a mais adequada para esta atividade [11, 12].
Por fim, para além das propriedades já enunciadas, esta tecnologia apresenta-se também
com preços bastante satisfatórios e como vantajosa no que se refere à resistência,
robustez, apresentando ótimos resultados para grandes variações de temperatura [11].
1.1.3 Aplicações da espetroscopia UV-VIS-SWNIR
Nesta fase, dar-se-á maior destaque ao setor agroalimentar, sendo a área petroquímica e
farmacêutica alvo de uma menção breve.
Na indústria cervejeira este tipo de tecnologia tem sido desenvolvida para aplicação na
identificação de tipos de cerveja e controlo de qualidade de alguns parâmetros.
Estudou-se a aplicação da espetroscopia de transfletância na região NIR para confirmar
a identidade de um género especial de cerveja, a Trapista, e dois subgéneros desta, a
Rochefort 8º e 10º, que apresentam regras muito estritas na sua produção. Cerca de 67 e
57 cervejas, não Trapista e Trapista, respetivamente, foram analisadas na região entre
400 e 2498 nm. Usaram-se diversas técnicas de quimiometria, de modo a poder modelar
a caracterização das cervejas. No caso geral da Trapista, os resultados não foram
satisfatórios quanto à sensibilidade, apresentando melhores valores quanto à eficiência.
Avaliou-se ainda, por classificação discriminante, a diferenciação dos dois tipos de
cerveja Rochefort, apresentando valores muito satisfatórios, dado a boa correlação entre
o álcool e a região NIR [13].
A espetroscopia NIR apresenta-se como muito promissora na avaliação da qualidade de
grãos de malte e de milho para produção de cerveja. Essa avaliação pode ser realizada
pelo controlo de parâmetros como humidade e nitrogénio total para o malte, bem como
a humidade e conteúdo lipídico no caso do milho. Diversas amostras foram analisadas
de três tipos de malte diferentes e comparadas com processos homólogos usuais.
Constatou-se que os valores finais dos parâmetros foram aproximados entre os dois
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
11
métodos, destacando-se neste caso o malte de tipo Pale. Em relação ao milho iguais
conclusões se tiram, dado a semelhança entre repetibilidades e valores finais de
parâmetros, assim como baixos valores de incertezas a nível de humidade e de lípidos
[14].
Utilizou-se a possibilidade de combinação de espetroscopia midIR (4000 a 600 cm-1
) e
NIR (800 a 2400 cm-1
) na tentativa de descobrir se existe melhoria na previsão de
parâmetros como o etanol, extrato original (OE) e real (RE) quando comparados com os
resultados isolados de cada uma das técnicas. A partir de 43 amostras de cervejas,
constatou-se que os resultados obtidos em conjunto pelas duas técnicas apresentam-se
bastante próximos dos valores das técnicas em separado, provando-se que não há muitas
vantagens na utilização em conjunto do midIR e NIR. Para os três tipos de dados
criados, aplicaram-se em separado dois tratamentos quimiométricos, os mínimos
quadrados parciais (PLS) e a análise de redes neurais, sendo esta última aquela que
melhor desempenho apresentou [15].
Para além da aplicação no NIR, também existem estudos de aplicação da região UV-
VIS no estudo da qualidade da cerveja. O processo de deteção da capacidade
antioxidante, que consiste no sequestro de radicais a partir de compostos orgânicos com
posterior absorção na região UV-VIS, tornando o processo lento e trabalhoso foi
modificado. A nova versão da técnica consiste na aplicação de um solvente orgânico
para extração, seguido de absorção a 333 nm. Verificou-se que o extrato alcançado
apresentava elementos intervenientes no envelhecimento da cerveja, como polifenóis e
produtos de reação Maillard. Devido aos elevados coeficientes de correlação entre as
duas tecnologias, concluiu-se que o novo método apresenta condições para ser utilizado
no acompanhamento do envelhecimento de cerveja [16].
Para além do ramo cervejeiro, esta tecnologia tem tido grandes desenvolvimentos e
aplicações em outros ramos da indústria agroalimentar.
Como por exemplo, estão descritas aplicações desta tecnologia na gestão de vinhas,
proporcionando imagens de alta qualidade do metabolismo, de forma a permitir uma
viticultura de precisão [11].
Implementou-se a região VIS-SWNIR no estudo de componentes sólidos solúveis
(CSS), responsáveis pelo sabor final, e de pH de diferentes vinagres de arroz. Em
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
12
combinação com os modelos quimiométricos do PLS, usado como meio para extração
das variáveis latentes e dos comprimentos de onda mais eficientes, apresentou ótimos
dados, verificando-se melhores resultados para o intervalo de comprimento de onda de
550-1000 nm [17].
Bons resultados foram também obtidos na previsão do conteúdo de açúcar em maçãs
sem casca, a partir do desenvolvimento de modelos de regressão multivariável em CSS,
para maçãs com e sem casca, num espetro de refletância de 800-1700 nm. Análise
similar foi também realizada a frutos kiwi, onde a partir da radiação SWNIR se
conseguiu prever com precisão o extrato seco e CSS. A análise de componentes sólidos
solúveis também se apresentou com ótimos valores para manga, banana e pêssego, em
regiões de 730-995 nm. Foi também avaliada a capacidade de aplicação do VIS-SWNIR
para o estudo e quantificação da firmeza, dureza dos tecidos dos frutos, de modo a
estudar a maturação e respetiva melhor época para a colheita [18].
Para além da melhoria no controlo de maturação e época de colheita, esta tecnologia
pode também ser utilizada para o controlo do nível de fungicida a aplicar nas grandes
plantações. A implementação de espetroscopia da região VIS-SWNIR, em sensores
acoplados a tratores, permite detetar as áreas de necrose, devido às infeções nos
cultivos, assim como é também possível verificar a evolução da densidade de copas e
áreas foliares na região SWNIR. Deste modo, o doseamento de quantidade de fungicida
é realizado tendo em conta apenas o estado da plantação, diminuindo possíveis efeitos
secundários quando estes alimentos chegarem ao consumidor final [19].
A utilização desta técnica como controlo alimentar é também marcante no que toca à
análise de frutos que contenham espécies de insetos. Verificaram-se bons resultados no
controlo de cerejas infetadas por larvas. Foi possível verificar a presença dos insetos,
devido às alterações provocadas por estes nos tecidos da cereja, em comparação com o
fruto não contaminado. Com o aumento da legislação no controlo de parasitas, esta
técnica torna-se uma importante ferramenta de prevenção de perdas económicas [20].
A tecnologia poderá também ser importante na regulação da indústria alimentar animal
e no mercado da preparação da carne crua. No primeiro caso, a espetroscopia será
utilizada no controlo da composição e ingredientes químicos das rações, assim como na
monitorização das dosagens dos aditivos e ingredientes nas misturas durante a
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
13
produção. No caso da carne, análise precisa e rápida pode realizar-se às características
qualitativas, como por exemplo composição química e atributos sensoriais. Esta análise
justifica-se pela capacidade de obter dados precisos dos níveis de gordura, humidade e
de proteína que a carne apresenta [7].
Existem também outras áreas onde esta tecnologia é usada. Por exemplo, a indústria
petrolífera utiliza a espetroscopia na região NIR em todos os processos envolvidos na
produção de todos os produtos resultantes da destilação do crude, desde a unidade de
refinação até às operações de mistura de combustível. Na área farmacêutica, esta
tecnologia emprega-se em diversas etapas da construção de um medicamento. Por
exemplo, será utilizada na monitorização da homogeneização de misturas sólidas,
através de medições com fibras óticas acopladas ao misturador, assim como a
quantificação do ingrediente ativo nos comprimidos produzidos. Permite criar
uniformidade entre produtos ocorrendo redução de custos e de tempo [7].
1.2 Processo cervejeiro
Dado tratar-se de uma atividade que consiste na aplicação das tecnologias de
espetroscopia ao processo cervejeiro, este será analisado desde as matérias-primas até
ao processo de acabamento da cerveja. Contudo, será dado maior destaque à
fermentação.
1.2.1 Evolução do processo cervejeiro e da cerveja
Considerado como o produto de origem biotecnológica mais antigo, a criação da cerveja
estará associada ao milénio VI a.C.. Com características fortemente turvas e alcoólicas e
devido ao evoluir do seu processamento, foi ganhando muitos adeptos no norte e centro
da Europa. Contudo, só apenas no século XIX, devido a descobertas e estudos de
cientistas como L. Pasteur, E. Buchner, entre outros, a cerveja começou a ser produzida
com maior durabilidade, reprodutibilidade e qualidade mais consistente. Muitas destas
evoluções tiveram como ponto de partida a otimização de utilização de estirpes puras,
inicialmente pela melhoria dos cuidados de manutenção e depois por implementação da
engenharia genética. As condições de fermentação também têm apresentado algumas
evoluções, destacando-se o uso de fermentadores fechados, os mostos de alta
concentração e os processos de imobilização de levedura [21].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
14
1.2.2 Matérias-primas
As matérias-primas envolvidas na produção de cerveja são, essencialmente, a água, o
malte de cevada, o lúpulo e a levedura.
A água é a matéria-prima utilizada em maior quantidade na produção cervejeira, não só
pelos volumes usados na fermentação, mas acima de tudo pela sua importância em
outras atividades como limpeza, lavagem, entre outras [22]. Sendo a cerveja um produto
alimentar, essencialmente, constituído por água e desenvolvendo-se todas as reações
químicas e biológicas neste meio, a utilização deste recurso deve ter em conta as
exigências e as propriedades pretendidas pela cerveja final e pelos processos
intermédios de produção, assim como os requisitos sanitários para consumo [22, 23].
Caracterização pormenorizada sobre os iões Ca2+
, Cl-, SO
2-4, é um fator preponderante
na brassagem da cerveja, pois poderão influenciar o pH durante a produção. A
utilização de mostos altamente concentrados, deverá ter em conta a ausência de sais, de
O2 dissolvido, enquanto a presença de por questões de saúde e por influência na
atividade da levedura, deverá ser reduzida na produção de qualquer cerveja [21, 22].
Na categoria dos cereais, aquele
que se apresenta como universal na
produção de cerveja é o malte de
cevada, responsável por fornecer o
amido. Apesar das diversas
variedades deste cereal, originando
cervejas com características
diferentes, destaca-se o uso da
cevada dística. A predominância
deste cereal na cerveja deve-se à sua capacidade de produção, grão com película fina,
grânulos uniformes, conteúdo de extrato elevado e nível polifenólico baixo. A cevada
apresenta todas as características necessárias, tal como apresentado na Tabela 3,
destacando-se o elevado grau de hidratos de carbono e proteínas. Entre as proteínas,
destaca-se a enzima β-amilase, que apresenta ação sacarificante [21, 22].
O processo cervejeiro pode incluir a introdução de adjuntos, ou seja, cereais não
maltados. A quantidade de malte substituída por adjuntos encontra-se por norma entre
os 15 a 20% e sucede-se devido ao facto do potencial enzimático do malte de cevada
Tabela 3 - Composição química da cevada (% extrato seco).
Hidratos carbono totais 70.0 – 75.0%
Proteína 10.5 – 11.5%
Matéria inorgânica 2.0 – 4.0%
Gordura 1.5 – 2.0%
Outras substâncias 1.0 – 2.0%
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
15
poder consumir todo o amido. Por norma os adjuntos são mais baratos que o malte
podendo-se usar cevada, sorgo, arroz e milho. Estes dois últimos são adicionados de
modo a diminuir o conteúdo global de proteína do mosto, sendo um fator de
diferenciação no produto final [21, 22].
Outra matéria-prima usada em grandes quantidades e com muita influência na cerveja
final é o lúpulo. A adição deste justifica-se pelo aroma e amargor que este empresta à
cerveja. Esta ação deve-se sobretudo à diversidade de componentes que este apresenta,
destacando-se o papel das resinas, ácidos α (fonte de maior amargor) e ácidos β, e os
óleos essenciais [21, 22]. Para além destas propriedades o lúpulo promove maior
estabilidade de espuma e inibe o desenvolvimento bacteriano [22].
A levedura que é adicionada durante o processo cervejeiro pertence ao género
Saccharomyces. A sua função é consumir o substrato, diminuindo os açúcares presentes
no mosto, produzindo o etanol, CO2 e os restantes metabolitos. Mediante o tipo de
cerveja a produzir, ale ou lager, poderão utilizar-se espécies como, S. cerevisiae e S.
carlsbergensis, respetivamente. Entre estas o comportamento diferencia-se no
processamento, mais precisamente, na capacidade de consumir certos tipos de substrato
e nas temperaturas de fermentação [21, 22].
1.2.3 Etapas do processo cervejeiro
Constituído por diferentes processos enzimáticos e biológicos, a produção de um tipo de
cerveja estará dependente das condições que se pretendem obter no final do processo.
Ou seja, avaliar o perfil aromático, o grau alcoólico da cerveja assim como a sua
estabilidade física e química, são alguns dos parâmetros a ter em conta. Este processo
está dividido em três grandes etapas: maltagem; fabricação e tratamento do mosto;
fermentação e acabamento. Estas etapas, constituída cada uma delas por sub-etapas
permite a conversão da cevada em cerveja [21].
1.2.3.1 Maltagem
Este processo tem como característica principal a produção e disponibilização dos
açúcares fermentáveis presentes no grão. Estas alterações devem-se ao processo de
molha que aumenta a humidade do grão, criando as condições para o início da
germinação. Nesta fase, a parede celular é fragilizada de modo a que o amido do grão se
torne mais acessível. Processos enzimáticos induzidos por meios hormonais promovem
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
16
o início da degradação do amido em açúcar fermentável, tal como a síntese das enzimas
hidrolíticas (α-amilase, dextrina-limite, proteinases e peptidases) intervenientes na
degradação de proteínas com consequente produção de parte dos aminoácidos
necessários à levedura. A ação das peptidases no endosperma tem a capacidade de
influenciar a viscosidade final da cerveja. Por fim, decorre o processo de
secagem/estufagem para parar todos os processos/enzimas participantes na germinação
e fixar as características do malte, o gosto e coloração [21].
Mediante o controlo efetuado neste processo, pode-se obter uma cerveja com
propriedades únicas em relação à espuma (proteínas), aroma/gosto (teor lipoxigenásico)
e coloração (compostos azotados e açúcares) [21].
1.2.3.2 Fabricação do mosto
Finalizada a preparação do malte, a aplicação sequencial de operações unitárias torna-o
apto a ser fermentado sob a forma de mosto. Esta fase pretende hidrolisar por completo
todo o amido presente, proteínas e outros componentes através da otimização do
funcionamento de muitas das enzimas produzidas durante a germinação [21].
Este procedimento inicia-se por um tratamento físico dos grãos, moagem, onde se
pretende destruir a estrutura e tecidos do grão, para melhor extração de amido e
proteínas. Esta farinha é depois misturada com água, onde em processos a diferentes
temperaturas e tempos, se inicia a ação de enzimas do malte, como proteínases, β e α-
amilase, obtendo-se a sacarificação do amido e hidrólise de proteínas. Devido à
transferência do malte empastado, entre diferentes caldas e de temperaturas elevadas, é
possível otimizar a sacarificação e extração dos componentes de interesse [21].
Após este processo de brassagem, o malte tratado é então filtrado de modo a separar a
parte solúvel, denominado mosto doce onde estão todos os açúcares e restantes
componentes químicos, da parte insolúvel, a drêche. O mosto doce é de seguida
colocado a altas temperaturas. Com esta etapa pretende-se evaporar a água do mosto,
compostos voláteis, esterilizá-lo e precipitar grandes proteínas ainda existentes.
Contudo, a ebulição apresenta também importância no aroma e gosto final da cerveja. O
lúpulo é aqui adicionado, sendo alguns dos ácidos provenientes desta matéria
convertidos ou eliminados. Devido à precipitação proteica, torna-se necessário clarificar
o mosto de modo a este ser utilizado nas seguintes etapas [21].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
17
Após obter todos os componentes do malte no mosto, este segue para a última fase de
tratamento, onde será arrefecido e arejado, para que atinja temperaturas e níveis de
oxigénio mínimos, de maneira a que a levedura a inocular consiga fermentar [21].
1.2.3.3 Fermentação
Esta etapa apresenta-se como a mais importante na presente atividade, pois ocorre a
passagem do mosto doce a cerveja por ação de microrganismos, tornando-a crucial em
termos de controlo de processos. Ao mosto que agora inicia a fermentação denomina-se
cerveja verde.
A qualidade da cerveja, devido aos processos bioquímicos que aqui decorrem, está
fortemente associada ao perfil aromático que se desenvolve, contribuindo para isso o
elevado nível e a velocidade de fermentação de açúcares no meio, assim como a
assimilação e utilização de aminoácidos [21].
Deste modo, torna-se importante monitorizar o consumo de açúcares, como por
exemplo a glucose, frutose, maltose e maltotriose. A levedura retira todos estes
componentes do meio, utilizando-os para dar início a processos metabólicos, como o
ciclo glicolítico que os converte em ácido pirúvico e, finalmente, em etanol e CO2. Para
além desta utilização do ácido pirúvico, este poderá ainda ser utilizado na obtenção de
outros componentes, como os ácidos, gordos e orgânicos, e aldeído acético [21].
Cetoácidos
Etanol
Ésteres Lípidos
Glúcidos
Ác. Orgânicos
Acetil CoA
Ác. Piruvico
Ác. Gordos
Acil CoA (gord)
Aldeído Acético
Álcoois Superiores
Aminoácidos
VDK
Sulfatos
H2S, SO2
Figura 5 - Reagentes e produtos envolvidos na fermentação cervejeira [21].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
18
Sobre a metabolização de aminoácidos, deve-se referir que estes são transferidos
durante a fermentação para o interior da levedura, graças a processos de transaminação,
destacando-se que a eficiência deste processo para a prolina é praticamente nula [21,
22]. O metabolismo proteico é muito importante para a cerveja, pois influencia
positivamente o sabor e a estabilidade [22].
Tal como apresentado na Figura 5, do metabolismo da levedura surgem vários
subprodutos, considerados como toxinas pela estirpe, que apresentam importância no
aroma e sabor final.
Álcoois superiores representam a maior fração volátil e, mediante a disponibilidade de
aminoácidos e o tipo de álcool pretendido, poderão ser produzidos por via catabólica ou
anabólica. A sua produção é também aumentada pelo incremento de temperatura,
agitação, lípidos, aeração intensiva, entre outros. São compostos aromáticos de cerveja
finalizada, pelo que a sua regulação deverá ser realizada durante a fermentação. Como
exemplo, pode-se referir o n-propanol e o 3-metilbutanol [21, 22].
Os ésteres formam-se essencialmente na fase de crescimento, resultando da reação entre
um álcool e a acil-coenzima A ou pela esterificação de ácidos gordos, sendo que a sua
quantidade pode duplicar caso a fermentação secundária seja demasiado longa.
Apresentam resposta semelhante aos álcoois superiores, quando submetidos às mesmas
variações (com exceção da agitação do meio), e manifestam grande importância no
sabor final da cerveja, destacando-se o acetato de etilo, sendo que em altas
concentrações proporcionam sabores desagradáveis como amargor e frutado [21, 22].
Durante a fermentação podem surgir alguns compostos de enxofre, oriundos das
matérias-primas, do metabolismo ou contaminações. O SO2 e H2S, quando provenientes
da levedura são subprodutos da síntese de cisteína e metionina. Embora apresentem
atividade antioxidante, as elevadas concentrações de SO2 por norma resultam de
elevadas concentrações de lípidos, originando gostos pouco agradáveis. Este grupo é
conhecido por dar um sabor não maduro à cerveja [21, 22].
Por fim, destaca-se a presença de aldeído acético, que pode ser facilmente manipulável
com SO2 caso ultrapasse as concentrações máximas. O metabolismo de aminoácidos
proporciona também a presença de um grupo de cetonas associado a dois grupos
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
19
carbonilo, dicetonas vicinais, que apresentam importante função no gosto da cerveja.
Neste caso, destaca-se a 2,3 pentanodiona e o diacetilo [21, 22].
Apesar de todos os componentes de interesse serem produzidos, a cerveja ainda não está
apta a ser vendida. Para além da maturação, de modo a aprimorar a composição dos
diversos metabolitos explicados anteriormente, em especial o diacetilo, a cerveja recebe
um tratamento a temperaturas reduzidas para a diminuição da carga proteica, de
leveduras e de outros sólidos, de modo a alcançar a estabilização coloidal [21, 22].
Finalizados estes processos, a cerveja poderá ser acondicionada com integração de CO2,
e colocada no mercado [24].
1.2.4 Importância da monitorização da fermentação
É importante acompanhar alguns parâmetros que permitam aferir o correto
funcionamento da fermentação, mais precisamente a quantificação do substrato através
do extrato, o pH e a temperatura [25] pois estes refletem o comportamento do processo
fermentativo.
A avaliação do pH permite verificar o estado de produção dos ácidos orgânicos assim
como a utilização por parte da levedura de determinados iões como fosfato, potássio
entre outros. A partir de variações de pH é também possível aferir informações sobre o
ciclo de vida da levedura, mais precisamente, se está ou não a decorrer a autólise, assim
como a possibilidade de contaminação da cerveja verde [22, 26, 27].
A análise do extrato da cerveja consiste na quantificação das diversas substâncias
dissolvidas, das quais se destacam os açúcares presentes como maltose, glucose,
sacarose, frutose e maltotriose [22, 27]. Esta caracterização pode assumir diferentes
nomes, consoante os pressupostos usados e a finalidade da determinação. Deste modo
pode-se enumerar o OE, expresso em graus Plato, extrato aparente (AE) e o RE.
O OE, segundo o European Brewery Convention (EBC), é calculado segundo a equação
de Balling, sendo necessário conhecer previamente informação relativa ao RE (% m/m)
e ao álcool (% m/m) [27, 28]. Este valor permite aferir a quantidade de extrato presente
no mosto antes da fermentação, sendo este um dos fatores a controlar por algumas
autoridades fiscais [27–29].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
20
O acompanhamento ao longo da fermentação da quantidade de extrato, presente na
cerveja verde, pode ser realizada por duas formas, através do RE e/ou através do AE.
No caso do AE, os valores são obtidos através da densidade específica da cerveja
filtrada, não tendo em consideração os efeitos do álcool. Para o RE, analisa-se através
da densidade específica do resíduo de destilação. Neste caso, substitui-se o volume de
álcool presente por igual volume de água. Ambos os parâmetros são obtidos por tabelas
de conversão densidade específica/quantidade de açúcares ou por utilização de
polinómios que associam estas duas propriedades [27, 29, 30].
Através do OE e do AE ou RE os produtores de cerveja conseguem calcular a extensão
da fermentação do extrato. Esta nova variável denomina-se nível de fermentação (ou
atenuação) e quantifica a percentagem de extrato consumido. Também neste caso
teremos duas designações, o nível de fermentação real e nível de fermentação aparente
(ADF%), caso se utilize no cálculo o RE ou AE, respetivamente [22, 29].
O acompanhamento do extrato permite controlar o processo fermentativo, mais
precisamente a passagem da fermentação primária para maturação [22].
Durante a maturação é fundamental a monitorização do nível de diacetilo e
pentanodiona presente na cerveja verde. Representam o aroma mais importante da
cerveja, já que proporciona em altas concentrações aroma amargo, impuro e demasiado
adocicado. Tendo em conta que estes dois elementos se dissipam ao longo da
maturação, devido a quebra das dicetonas vicinais, o acompanhamento da sua evolução
é tido como critério fundamental para o término da fermentação com elevada qualidade
na cerveja final [22].
O não controlo da fermentação implicará a produção irregular de outros produtos
originários do metabolismo das proteínas e de açúcares por parte da levedura [27],
influenciando as características finais da cerveja de tal forma que a uniformização de
produtos para o mercado se torna impossível.
É fundamental verificar a evolução do maior produto de fermentação, o álcool, quer do
ponto de vista comercial quer do ponto de vista biológico e sensorial. A quantidade de
álcool caracteriza a cerveja quanto à sua força, sendo este parâmetro a base para a
atribuição de taxas monetárias sobre a cerveja [27]. Do ponto de vista biológico, a
presença deste produto em quantidades descontroladas poderá influenciar o
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
21
metabolismo da levedura, levando a uma redução da multiplicação celular [27, 31].
Torna-se importante observar a relação existente entre os açúcares e o etanol. Ou seja,
uma fermentação levada a cabo por leveduras saudáveis deverá ter uma relação inversa
entre estes elementos tal como observado em [32]. Sensorialmente, o não controlo do
etanol promove também alterações organoléticas, como variações da adstringência e
amargura provocada pelos polifenóis, diminuição na volatilidade e percetividade dos
ésteres em altas concentrações alcoólicas e variações na sensação de encorpado durante
a prova da cerveja [33].
Para além do álcool outros subprodutos também podem sofrer algumas variações:
Os ésteres dão um aroma frutado quando em concentrações apropriadas, pelo que em
quantidades elevadas provocam sabor exagerado a fruta ou a cerveja tipo ale [22, 26].
Os ácidos orgânicos da cerveja ao apresentarem importância no sabor, aroma e pH,
influenciarão as propriedades físicas finais, como estabilidade à turbidez não biológica,
a estabilidade do sabor, a suscetibilidade a alterações microbiológicas no caso da
diminuição de pH ao longo da fermentação. Caso ocorra aumento de pH, a perceção do
amargor é alterada [26].
Os álcoois superiores quando presentes em concentrações adequadas contribuem para o
sabor e aroma, colaborando de forma preponderante para o aroma alcoólico típico de
uma bebida fermentada. Contudo, se as concentrações forem demasiado elevadas
provocam alterações estruturais e sensoriais na cerveja, ou seja, reduzem a qualidade da
espuma da cerveja e podem induzir malefícios na saúde dos consumidores [26].
1.2.5 Aplicação da tecnologia de UV-VIS-SWNIR ao processo cervejeiro
1.2.5.1 Sonda
A aplicação prática desta tecnologia deve-se ao uso conjunto de um sistema
multivariado de monitorização com sensores de fibra ótica. Isto é possível graças aos
desenvolvimentos na área destas fibras, que torna viável a acoplação de sistemas de
fotónica miniaturizados de modo a recolher toda a informação espetral detalhada [34].A
leitura da evolução do processo cervejeiro é realizada através do contacto direto da
sonda com o interior do fermentador. Morfologicamente, estas apresentam dimensões
aproximadas entre 1-2.5 cm de diâmetro e 15-25 cm de comprimento. No seu interior
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
22
estão presentes fibras óticas, que conduzem a radiação
responsável pela análise da amostra [7].
Mediante o tipo de medição realizada, transmitância ou
refletância, e os processos e condições onde serão
introduzidas, as sondas poderão apresentar os formatos
da Figura 6. Por questões de manutenção, devem ser
fáceis de retirar do fermentador, de modo a limpar o
desgaste e fouling que fica acumulado no local de
análise [7].
1.2.5.2 Tratamento de dados
A leitura efetuada pela sonda provocará um grande conjunto de dados a analisar com
diversas variáveis presentes. Neste caso, os processos normais de tratamento estatístico
de uma só variável tornam-se inefetivos. A implementação de métodos quimiométricos
torna-se necessária, recorrendo a software para tratar toda a informação, permitindo a
rápida leitura dos dados. Com o tratamento e seleção de dados e com recurso ao
conhecimento de base teórica do processo cervejeiro, torna-se possível implementar
modelos multivariáveis que representam o perfil evolutivo dos metabolitos e substratos
no interior do fermentador. Desta forma, é possível prever e corrigir o comportamento
da fermentação, face às constantes perturbações que esta etapa sofre [35].
Os procedimentos usados encontram-se descritos na secção Materiais e Métodos.
1.2.6 Vantagens da espetroscopia UV-VIS-SWNIR
Comparativamente aos métodos mais tradicionais de retirada de amostras e envio para
análise em laboratório, a utilização desta tecnologia apresenta-se como vantajosa devido
às seguintes características [9, 35]:
Leitura rápida da amostra, dado que a manipulação da mesma é mínima;
Não necessita de pré-tratamento com reagentes, pelo que reduz custos analíticos
e tempo de amortização;
Técnica não destrutiva e não invasiva;
Devido à utilização de sondas e software adequado, a apresentação de resultados
é próxima do tempo real;
Figura 6 - Modelos de sondas segundo
o tipo de funcionamento que podem apresentar: (a) sonda de transmissão;
(b) sonda de transfletância; (c) sonda
ATR.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
23
Avaliação a diversos metabolitos em simultâneo;
Avaliação física da amostra (viscosidade, densidade);
Tecnologia resistente dado não apresentar partes móveis;
Elevada sensibilidade devido à ação da fibra ótica;
Exatidão similar aos métodos tradicionais;
Precisão elevada, face à reduzida manipulação;
Tecnologia robusta, que pode ser submetida a condições adversas.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
24
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
25
2 Material e métodos
2.1 Fermentação
Ao longo da atividade foram acompanhadas 147 fermentações de dois tipos de cerveja,
totalizando cerca de 1170 amostras analisadas. As cervejas analisadas foram a Super
Bock, 141 fermentações, e a respetiva cerveja preta, a Super Bock Stout, 6
fermentações. As amostras, cerca de 30 por dia, foram recolhidas maioritariamente
durante a manhã sendo depois armazenadas à temperatura de 5º C até ao momento de
análise. O volume de amostra necessário foi de 40-50 mL.
2.2 Análises fisico-químicas
As análises comparativas foram analisadas por
cromatografia gasosa com detetor de captura de
eletrões para medição do diacetilo [27, 36], e os
restantes parâmetros por intermédio do sistema de
análise de cerveja Alcolyzer Beer da Anton Paar,
Figura 7. Este aparelho, para além do trocador de
amostras, apresenta dois módulos de medição, um
para a densidade e outro para o nível de álcool da
cerveja, sendo possível realizar a análise completa num ciclo de medição [37].
No caso da medição do álcool o método usado é o processo patenteado (AT 406711; US
6,690,015) que tem como base a medição direta através da espetroscopia NIR. Pelo
densímetro é possivel obter os valores de densidades específicas, densidades simples e
concentrações [38]. Estas propriedades são obtidas e estão relacionadas devido à
presença de tabelas de conversão, assim como polinómios e fórmulas [39].
A medição do pH realizou-se através do pH metro instalado no sistema, enquanto a
quantificação da cor foi calculada através de espetroscopia de absorção e respetiva
conversão para escala de cor EBC [40].
Os parâmetros calculados foram álcool (% V/V e % m/m), OE (g/100 mL e % Plato),
RE (% m/m) e AE (g/100 mL e % m/m), densidade especifica, pH, cor EBC e
percentagem do grau de fermentação (ou atenuação) aparente e real. Para cada análise
Figura 7 - Alcolyzer Beer.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
26
as cervejas foram inicialmente filtradas com Kieselguhr e desgasificadas, sendo
necessário um valor final de amostra de 40-50 mL.
2.3 Aquisição de espetros
A aquisição de espetros na região UV-VIS-SWNIR foi realizada através de
espetrómetro multicanal de fibra ótica Avantes (AvaSpec-2048-DT-4 (2048 pixel, 200-
1100 nm)) [41, 42]. Como fonte de luz de deutério e tungsténio foi usada a DH-2000-
BAL, permitindo a aquisição de informação proveniente da região entre 215-2500 nm
[43]. A estes dois aparelhos foi acoplada uma sonda de fibra ótica de transmissão em
imersão T300 – RT – 5 mm UV-VIS e VIS-NIR (200-1100 nm) [44]. A sonda foi
colocada em contacto com a cerveja a analisar através de um suporte que permite a
manutenção da posição horizontal durante as análises, Figura 8. Deste modo, previne-se
a deposição dos resíduos e biomassa presente na cerveja no microespelho da sonda. De
forma a controlar os dados gerados e o espetrómetro, este encontrava-se ligado a um
computador, sendo que todas as operações eram desenvolvidas através do software
AvaSoft versão 6.0 [41].
Antes de iniciar as análises das amostras deixou-se estabilizar as lâmpadas presentes na
fonte de luz. Para a estabilização da lâmpada de tungsténio (VIS-SWNIR) aguardou-se
15 minutos, enquanto que para a lâmpada de deutério (UV-VIS) se aguardou 20
minutos.
a) b) c)
e) d)
Figura 8 - Material usado nas análises: a) espetrómetro; b) sonda; c) fonte de luz; d)sistema
completo de análise; e) suporte de análise.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
27
Após estabilização do equipamento iniciou-se o processo de análise da cerveja no UV-
VIS-SWNIR. A amostra foi colocada no tubo de análise onde se encontrava a sonda.
Face à presença de várias matérias suspensas e devido ao gás resultante da fermentação,
tornou-se necessário limpar a zona do microespelho, de modo a que o depósito não
influencie a leitura da amostra, deturpando assim o resultado final. De seguida, tapou-se
o suporte de amostragem de modo a que não ocorra influência de luz externa na
aquisição do espetro.
No software AvaSoft usou-se tecla de comando Start de modo a iniciar a análise da
amostra. Nesta primeira fase o espetro obtido, por norma, encontrou-se fora da escala
dos eixos apresentados, ou então exibiu-se com baixa amplitude ao longo do eixo dos
xx. Isto justifica-se pela quantidade de luz que chega ao espetrómetro . Deste modo,
deve-se ajustar o tempo de integração, através do comando Autoconfigure
Integrationtime para adequar a quantidade de luz envolvida. Como resultado deste
ajuste, o valor máximo de amplitude do espetro alcançado foi cerca de 14500 [41].
Realizado o ajuste e tendo um sinal estável desliga-se a fonte de luz de modo a poder
obter-se o espetro, Dark data. Este foi subtraído ao espetro que se pretende obter com a
luz ligada. O espetro Dark data é apenas uma linha horizontal que não reflecte nenhuma
informação sobre as amostras, pelo que é necessário subtrai-lo pois a sua presença
influencia a amplitude do espetro para todo o intervalo de comprimento de onda.
Com a luz novamente ativa o espetro foi retirado. Na atividade, por questões associadas
à repetibilidade, retiraram-se de forma consecutiva dez espetros por amostra. É um
processo automático, utilizando para tal a opção Autosave Spectra Periodically no menu
Setup. A temporização para aquisição do primeiro espetro, assim como o tempo de
espera entre dois espetros são dois parâmetros a definir nesta funcionalidade do
software. Nesta atividade o valor usado para ambos foi 1 s.
Após aquisição de espetros, através do software, estes foram convertidos para ficheiros
de texto, de modo a que a informação possa ser mais facilmente lida e manipulável.
Todos os passos mencionados e associados ao software foram usados para a aquisição
dos espetros na região UV-VIS, lâmpada deutério, e na região VIS-SWNIR, lâmpada de
tungsténio.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
28
2.4 Análise multivariada
2.4.1 Pré-tratamento
Os dados obtidos sofreram um pré-processamento, Figura 9, que pode ser constituído
por cinco etapas com a seguinte ordem: filtração, integração de dados, escolha de dados
relevantes, normalização e estimação de dados em falta. Estes processos aplicam-se
para correção e/ou eliminação de dados com elevada discrepância da amostra, correção
de informação redundante, escolha das variáveis mais importantes para análise, tornar
todas as variáveis comparáveis face à mesma escala e criação de dados quando estes se
encontram em falta [35].
Na atividade, e tendo em conta a variação de propriedades da cerveja ao longo da
fermentação, não se utilizou o mesmo tempo de integração para a normalização de todas
as amostras na fermentação. Todo o intervalo espetral foi normalizado por EN=EO/TI,
(EN o espetro normalizado, EO o espetro original e TI o valor do tempo de integração)
sendo depois aplicado o filtro de Savitzky e Golay (comprimento=15, ordem=2) [45].
De seguida, os espetros foram transformados em absorvância pela equação,
, sendo I0 a intensidade do sinal de referência e I a intensidade do
sinal da amostra.
2.4.1.1 Correção robusta de espalhamento multiplicativo (RMSC)
A última fase do pré-tratamento foi a aplicação da correção robusta de espalhamento
multiplicativo (RMSC). Este método permite a separação e quantificação entre
diferentes tipos de variações físicas e químicas no espetro, assim como correção seletiva
de vários tipos de dispersão e variações indesejáveis [46] que se manifestam em
soluções como a cerveja em fermentação.
Cada espetro é corrigido por xcorr=xb+a=xref, sendo a e b calculados pela minimização
do erro ej = bxj+a-xref, onde xj é o espetro da amostra j e xref é o espetro de referência. O
RMSC baseia-se na aplicação do método robusto dos mínimos quadrados para
determinar as matrizes a e b assegurando que as áreas espetrais que não correspondem a
artefactos de dispersão não são tidos em consideração [47, 48].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
29
2.4.2 Análise de componentes principais (PCA)
O uso de PCA é útil na análise de processos, permitindo selecionar as amostras para
colocação em grupos de calibração ou validação [49], assim como verificar se o ponto
final do processo foi atingido ou avaliar se o espetro obtido corresponde a um outlier ou
a um comportamento típico do processo em análise. Esta comparação é realizada
através da “biblioteca espetral”, sendo esta previamente construída e testada para cada
processo [7].
Esta técnica converte as variáveis originais em novas, denominadas componentes
principais (PC), reduzindo a dimensionalidade dos dados da amostra mas mantendo a
variância. O primeiro componente principal (PC1) representa o máximo da variância
total, enquanto o segundo (PC2) representa o máximo da variância residual. Estes dois
não são correlacionáveis. Esta transformação e atribuição de um valor constituinte da
mesma escala a todas as amostras, faz com que esta técnica seja útil na visualização e
interpretação de dados [35].
2.4.3 Regressão por mínimos quadrados parciais (PLSR)
O PLSR foi a metodologia de calibração multivariada usada para estabelecer a relação
quantitativa entre os espetros e a composição química da amostra [7], permitindo
associar o conjunto de dados multivariados Y a um valor de referência X pela equação
Y = X.B + e, sendo B o coeficiente de regressão e e o erro. Normalmente, o X
representa a tecnologia mais cara e com maior necessidade de tempo de preparação, e o
Y a tecnologia de menor custo e de grande produção de dados como a espetroscopia
UV-VIS-SWNIR [47].
É desenvolvido a partir de um conjunto de N de observações com KX variáveis e MY
variáveis, que foram agrupadas e formam as matrizes X e Y de dimensões (N*K) e
(N*M). A matriz X corresponde às variáveis de processo e a Y retrata as variáveis de
a) espetro original
800 820 840
08
00
00
(a)
Wavelength (nm)
Sig
na
l C
ou
nt
800 820 8400
80
00
0
(a)
Wavelength (nm)
Sig
na
l C
ou
nt
800 820 840
20
00
0
(a)
Wavelength (nm)
Sig
na
l C
ou
nt
b) filtro Savitzky e Golay c) RMSC
Figura 9 - Pré-tratamento de espetros.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
30
qualidade de produto [35, 50, 51], sendo neste caso os dados das análises químicas
tradicionais e os dados espetrais, respetivamente.
O algoritmo tem como objetivo extrair as variáveis latentes de ambas as matrizes
recalculando-as continuamente, devido ao cálculo do peso correspondente de cada
variável e a processos de normalização, de modo a maximizar a covariância entre X e Y
[35, 50].
Os intervalos de confiança do PLS foram determinados de acordo com [52], e
considerou-se o limite de quantificação (LQ) como dez vezes o valor padrão do erro de
regressão.
2.4.4 Validação cruzada
De modo a verificar o comportamento dos modelos criados, foi realizada uma validação
quimiométrica recorrendo à validação cruzada. Este processo consiste na realização de
várias sub-calibrações a partir de amostras individuais ou segmentos de amostras.
Durante este processo as amostras, alternativamente, vão sendo deixadas fora da
construção da calibração de modo a serem usadas para validação do modelo, sendo
posteriormente calculado o valor médio da validação. Este processo desenvolve-se até
todas as amostras terem sido excluídas do processo de calibração [53].
Neste caso, a validação cruzada foi efetuada usando n-1 blocos, cerca de 90% dos
dados, ficando os restantes blocos para realizar a validação, cerca de 10% dos dados
totais. Os resultados dos modelos de calibração foram usados para o cálculo do PRESS
(soma dos quadrados dos resíduos previstos) através da equação ∑ ( )
, onde Yj
são os dados originais não usados após subtração da amostra i de validação, e a
previsão do modelo para a amostra j [47]. Deste modo, foi possível calcular a
distribuição estatística do critério PRESS para cada modelo, selecionando o número
mínimo de fatores de PLS [47, 54]. Os cálculos foram todos realizados através do
software R [55].
2.5 Cartas de controlo
Tendo em conta o volume de amostras conseguido do processo produtivo da cerveja
Super Bock, tornou-se possível avaliar se a fermentação decorreu em condições
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
31
controladas. As variáveis analisadas foram as mais características do processo, o AE e
álcool, para todas as fases da fermentação, e a evolução do diacetilo para a fermentação
secundária. Para este processo os dados foram divididos por etapas fermentativas
(aceleração; exponencial; desaceleração; estacionária) sendo a exponencial dividida em
intervalos de 10 h.
A ferramenta usada nesta atividade foi a construção de cartas de controlo de Shewart.
Através destas torna-se possível discriminar se a variabilidade existente, no processo
produtivo, está associada a variação por causas aleatórias (processo em controlo
estatístico) ou associada a variação por causas atribuíveis (processo fora de controlo)
[56].
Tendo em conta que as cartas foram construídas a partir de dados já existentes, o
método de cálculo adotado foi o exposto por [56] para cartas de controlo de , média, e
s, desvio-padrão, com amostras de tamanho variável. As linhas centrais destas cartas
foram calculadas por:
∑
∑
e
[∑ ( )
∑
]
sendo n o número de observações na amostra i, e m o número de amostras total. Os
limites de controlo para a carta de s foram calculados pelas equações,
enquanto para a carta de controlo foram
sendo A3, B3 e B4 constantes dependentes do tamanho da amostra (n). O processo de
cálculo foi realizado individualmente para todos os grupos de amostras existentes.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
32
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
33
3 Resultados e Discussão
3.1 Monitorização do processo cervejeiro
O acompanhamento da fermentação cervejeira foi realizado de forma comparativa entre
o método de referência e espetroscopia UV-VIS-SWNIR para os parâmetros densidade,
extrato original, extrato aparente, álcool, pH, cor EBC, percentagem de atenuação
aparente e diacetilo. Os dados que se seguem foram os obtidos pelos métodos
tradicionais.
3.1.1 Evolução de extrato
3.1.1.1 Extrato original
Pela análise à qualidade do mosto antes da fermentação verificou-se que para a Super
Bock (SB) existem três grandes grupos, Figura 10. Por ordem de representatividade
decrescente verificou-se um intervalo entre 17 e 19.5 ºP, outro com valores entre 15.5 e
16.5 ºP enquanto o grupo mais pequeno apresentou valores próximos de 14 ºP. No caso
da Super Bock Stout (SBS) os valores distribuíram-se por um intervalo mais reduzido,
entre 16 e 17 ºP aproximadamente. Os valores envolvidos são normais para o tipo de
fermentação usada, a fermentação em mostos de altas concentrações, sendo de esperar
uma fermentação com maior quantidade de subprodutos [22].
Figura 10 - Valores de graus Plato para Super Bock, SB, e Super Bock Stout, SBS.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 50 100 150 200 250 300 350 400
ºP
Tempo (h) SB
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300 400 500 600
ºP
Tempo (h) SBS
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
34
3.1.1.2 Extrato aparente e densidade
Como se verifica pela Figura 11, pode-se comprovar o comportamento apresentado na
introdução quanto à relação existente entre a obtenção do valor da densidade e o uso
desta, para posterior cálculo do valor do extrato da cerveja verde. O comportamento das
duas propriedades foi idêntico, variando apenas a escala de valores em que cada uma se
expressa. Deste modo, a análise centra-se na evolução do AE.
Verificou-se que as maiores concentrações de extrato encontrado na cerveja verde
situaram-se nos momentos iniciais. Nas primeiras 5 h foi possível encontrar valores
entre 20.77 e 16.38 g/100 mL para a SB. No caso da SBS, e devido ao número de
amostras inferior, o valor mais elevado obtido foi apenas às 23 h com 14.33 g/100 mL.
Após o início da fermentação verificou-se um rápido e acentuado consumo do extrato
pela levedura que se prolongou até, aproximadamente, as 100 h onde para a SB os
valores variaram entre os 6 e os 3 g/100 mL, enquanto a SBS o decréscimo foi até às 85
h para valores próximos de 4.5 g/100 mL.
O consumo de extrato está associado ao elevado crescimento celular durante a
fermentação, que pode resultar num aumento de biomassa até cinco vezes superior ao
inicial [27]. Este gasto energético deve-se à formação de novas substâncias celulares, à
receção e assimilação de substâncias do meio, à quebra e excreção de compostos e
transporte de substâncias dentro das células [22].
A taxa de consumo de extrato diminui após os momentos anteriormente referidos, sendo
esta redução constante em ambas as cervejas até cerca das 150 h. A partir deste
momento o consumo por parte da levedura estabiliza, sendo os valores finais obtidos
para SB próximos de 3.5 g/100 mL. Para SBS os valores finais obtidos foram reduzidos
e díspares, 3.26 e 4.64 g/100 mL, sendo portanto necessária maior quantidade de dados
para obter maior convergência.
A diminuição da taxa de consumo e consequente estabilização do extrato está associada
ao aumento da concentração de produtos do metabolismo que atingem concentrações
inibitórias para a atividade fermentativa e/ou à quantidade de nutrientes no meio ser
reduzida para valores que desaceleram a taxa de crescimento celular [27]. Entre esses
destaca-se o consumo das fontes de carbono e de azoto [57]. Um dos produtos que mais
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
35
influencia este comportamento é o álcool, sendo este explicado de forma mais detalhada
nas secções seguintes.
Figura 11 - Evolução do extrato aparente e densidade da cerveja verde da Super Bock, SB, e Super Bock
Stout, SBS, durante a fermentação.
A levedura ativa mecanismos de sobrevivência, poupando energia e utilizando outras
fontes para que possam manter ativas algumas vias metabólicas fundamentais para o seu
funcionamento. Como por exemplo, ocorre a utilização das reservas de fonte de
carbono, glicogénio, para produção de energia, assim como processos de produção
proteica que são reduzidos substancialmente. Só após o consumo total destes processos
é que as células entram em autólise [27].
Para além destes fatores, a posterior diminuição de temperatura para inicio da
maturação (aproximadamente pelas 150 h ), terá também beneficiado o comportamento
estável do extrato.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 100 200 300 400
EA
(g/1
00 m
L)
Tempo (h)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 100 200 300 400 500E
A (
g/1
00 m
L)
Tempo (h)
1
1,01
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
1,07
1,08
1,09
0 100 200 300 400
SG
Tempo (h)
1
1,01
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
1,07
1,08
1,09
0 100 200 300 400 500
SG
Tempo (h)
SB SBS
SBS SB
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
36
3.1.1.3 Grau aparente de fermentação (atenuação)
Tendo em conta que se analisou o AE, a percentagem de conversão de açúcares
fermentescíveis em etanol durante a fermentação será analisada pelo ADF%, estando o
comportamento destes relacionados.
Figura 12 - Evolução do ADF% da Super Bock, SB, e Super Bock Stout, SBS, durante a fermentação.
Pela Figura 12 o intervalo de maior conversão foi até às 80 h na SBS e às 100 h na SB.
Nesta salienta-se que até às 15 h a taxa de conversão foi menor quando comparada com
o restante intervalo. Verificou-se a diminuição da conversão até cerca das 150 h, em
ambas as cervejas, sendo que após este momento o ADF% estabilizou,
aproximadamente, entre 80 e 86% para SB e entre 70 e 78% para SBS até final da
maturação.
A rápida obtenção do valor final do ADF% poderá dever-se, em parte, ao tipo de
processo de fermentação usado, fermentação quente-maturação fria. Os valores obtidos
para SB vão de encontro ao pretendido para cervejas do tipo Pilsner, dado que se
encontram próximos do intervalo de 80 a 84% [22].
3.1.2 Evolução do álcool
Verificou-se pela Figura 13 que a partir do momento que se iniciou a fermentação, este
metabolito apresentou uma rápida evolução. Em ambas as cervejas, foi possível
verificar um aumento acentuado desde o instante zero, onde etanol ainda não tinha sido
produzido, até uma concentração nas 100 h entre 7 a 8.5% (v/v) e de 6.5 a 7% (v/v) para
SB e SBS, respetivamente. A partir deste momento ambas as cervejas diminuíram a taxa
de produção do álcool, sendo esse comportamento verificado com maior rapidez no
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400
AD
F %
Tempo (h)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400 500 600
AD
F %
Tempo (h) SB SBS
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
37
caso da SBS. Os valores obtidos ao longo e no final maturação estabilizaram num
intervalo de 8.2 a 9% (v/v) para SB e de 6.5 a 7.3% (v/v) para a SBS.
Esta evolução apresenta-se diretamente ligada à evolução do extrato. A Figura 11,
permite constatar que o forte crescimento da concentração de etanol ocorreu no mesmo
intervalo de tempo em que a concentração de extrato sofreu uma grande diminuição.
Figura 13 - Evolução dos valores de álcool durante a fermentação da Super Bock, SB, e Super Bock
Stout, SBS.
Nesta etapa o álcool é produzido a partir do metabolismo dos diferentes açúcares que a
levedura vai transportando para o seu interior [21, 22, 27, 32]. Aqui após glicólise é
gerado o piruvato, que devido à ação da enzima piruvato descarboxilase é convertido a
acetaldeído. Por fim, este ainda é reduzido pela álcool desidrogenase, resultando como
produto final o etanol [21, 22, 27]. Como parâmetros importantes na manutenção deste
percurso metabólico, está o facto de se ter realizado em condições anaeróbias [22] e da
concentração de glucose no extrato situar-se acima dos 0.2% (m/m), impedindo deste
modo a ativação do processo de respiração metabólica com consequente degradação do
etanol [27].
Tal como referido anteriormente, a partir das 100 h a produção do álcool diminui até
estabilizar. Esta redução poderá ter como causa a possível inibição das células devido à
presença de quantidades crescentes de álcool [27, 31, 32]. Esta inibição poderá
materializar-se em mecanismos celulares como desnaturação de enzimas internas,
efeitos mutagénicos no DNA mitocondrial [27] e alteração da fluidez e morfologia da
superfície celular [22, 31]. As alterações na membrana consistem, entre outras, na
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Álc
ool
(v/v
)
Tempo (h)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 100 200 300 400 500 600
Álc
ool
(v/v
)
Tempo (h)
SB SBS
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
38
inibição de transporte membranar [27] influenciando os fenómenos de absorção e
excreção celular, enquanto nas enzimas ocorre uma diminuição da conversão de
açúcares como frutose e glucose [32].
Para além destes efeitos bioquímicos que deverão ter estado na origem da diminuição
do álcool, a alteração processual para fermentação secundária, com a diminuição de
temperatura de operação, permitiu a estabilização destes valores até ao final do
processo, dado não estar à temperatura ótima [25, 27].
3.1.3 Evolução de pH
Para a cerveja Super Bock verifica-se que o valor inicial foi, aproximadamente, 4.8
sofrendo este valor uma pequena diminuição até cerca de 4.2 ao final das primeiras 50 h
de fermentação. A partir deste momento o valor de pH manteve-se com flutuações
baixas até ao final da fermentação. O mesmo se passou com Super Bock Stout, sendo
que o valor inicial nesta foi mais baixo, pH de 4.5, e a constância de valores foi
alcançada mais tarde, pelas 75 h. Verificou-se que entre a passagem de fases da
fermentação não ocorreram flutuações de pH, Figura 14.
Figura 14 - Evolução de pH durante a fermentação da cerveja verde da Super Bock, SB, Super Bock
Stout, SBS.
Este comportamento presenciado em ambas as cervejas está associado à fase
exponencial de crescimento da levedura onde acontecem os diversos fenómenos que
provocam a diminuição do pH. Podem-se destacar a formação de ácidos orgânicos por
desaminação [22, 25], o uso dos iões de fosfato primário pela levedura, a absorção de
3,5
3,8
4,1
4,4
4,7
5,0
5,3
0 50 100 150 200 250 300 350 400
pH
Tempo (h)
3,5
3,8
4,1
4,4
4,7
5
0 100 200 300 400 500
pH
Tempo (h) SB SBS
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
39
iões potássio [22] e NH2 pela levedura e a libertação para o meio de iões de hidrogénio
[22, 58].
O valor final de pH alcançado, entre 4.4 a 4.1, permite tirar algumas conclusões sobre
os processos subsequentes e a qualidade da cerveja. Deste modo, é expectável a
ocorrência de precipitação acelerada de complexos coloidais instáveis proteína-
polifenóis, uma maturação mais rápida com uma estabilidade e sabor da cerveja final
superior. Para além disso, informa que fenómenos como acidificação proveniente de
autólise das leveduras ou da contaminação durante a fermentação não ocorreram [22].
3.1.4 Evolução da cor
Pela análise da Figura 15 verificou-se que ao longo da fermentação da Super Bock
ocorreu uma pequena diminuição da cor. Inicialmente a coloração da cerveja situava-se,
predominantemente, no intervalo de 11 a 18 unidades EBC, sendo este diminuído para
uma amplitude entre 11 a 16 unidades a partir das 150 h. Fora deste comportamento,
verificou-se a existência de alguns valores compreendidos entre 18 a 23 unidades EBC,
contudo tendo em conta a baixa representatividade na amostra total, poderá auferir-se
que a sua origem poderá estar associada a variações pontuais no processo produtivo ou
de análise.
Figura 15 - Evolução da cor, unidades EBC, durante fermentação da cerveja Super Bock, SB, e Super
Bock Stout, SBS.
Quanto à Super Bock Stout a coloração apresentada foi muito elevada situando-se num
intervalo de valores de 220 a 310 unidades EBC. Não existe um comportamento muito
bem delineado, contribuindo para isso o baixo número de amostras.
02468
1012141618202224
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Un
idad
es E
BC
Tempo (h) SB
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0 100 200 300 400 500 600
Un
idad
es E
BC
Tempo (h) SBS
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
40
A partir destes dados conclui-se que a cor não é um parâmetro que sofra grandes
alterações ao longo da fermentação, indo de encontro ao teoricamente expectável, sendo
que os responsáveis pela formação e manutenção desta são o caramelo e melanoidinas
presentes no malte e adjuntos, que são libertados e produzidos durante os processos de
secagem, moagem e ebulição do mosto [25, 27].
Embora a diminuição da cor não seja muito acentuada na Super Bock, este
comportamento poderá estar associado à descoloração, de algumas substâncias, causada
pela diminuição de pH e pela adsorção de substâncias coloridas nas células de levedura
ou precipitação no fundo do tanque [22, 59].
A diferença de valores de coloração entre cervejas está diretamente associado ao tipo de
cervejas analisadas. No caso da Super Bock, dado tratar-se de uma cerveja do tipo
Pilsner apresenta coloração clara, enquanto a Stout devido à presença de malte torrado e
de malte especial como o de Chocolate [25, 60] a cerveja apresenta uma coloração
escura e pouco transparente [27] levando a valores superiores a 60 unidades EBC [25].
3.1.5 Evolução do diacetilo
Na Figura 16 observa-se a evolução do parâmetro controlador da extensão da maturação
[22, 25, 61]. Embora todos os dados do diacetilo, preferencialmente, tenham sido
retirados nesta fase, no caso da cerveja SB foi possível analisar alguns valores deste
subproduto no início da fermentação. Os valores elevados verificados estão associados à
conversão não enzimática do α-acetolactato presente no meio em diacetilo [22, 27, 62,
63]. Uma das razões para estes valores elevados será a diminuição do pH, como se pode
confirmar pela Figura 14, que proporciona uma rápida conversão [22, 27].
Foi possível verificar que o início da maturação decorreu, aproximadamente, às 140 h
para a SB e às 145 h para a SBS. O início da maturação ocorreu após estabilização do
AE para valores próximos de 3 e 4.5 g/100 mL, para SB e SBS respetivamente, Figura
11. Os valores iniciais de diacetilo foram de 0.15 a 0.43 mg/L para SB e de 0.6 a 0.78
mg/L para SBS. Esta fase marca alterações processuais tendo sido diminuída a
temperatura de fermentação de 12 a 14 ºC para cerca de 7 ºC, fermentação quente-
maturação fria [22].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
41
Ao longo da maturação a evolução do diacetilo foi decrescente. O último ponto
analisado para SB foi às 358 h com uma concentração de diacetilo de 0.073 mg/L.
Contudo, o intervalo de término de maior predominância para SB situou-se entre as 300
a 330 h, período no qual o valor estabiliza e se mantêm inferior ou igual à concentração
pretendida de 0.07 mg/L. Este valor será reduzido, posteriormente, devido ao processo
de diluição, característico da fermentação em mostos de alta concentração.
Figura 16 - Evolução do diacetilo durante a maturação da cerveja Super Bock, SB, e Super Bock Stout,
SBS.
Para o caso da SBS o último ponto analisado foi às 576 h com um valor de 0.188 mg/L,
sendo este referente a uma maturação que ainda se encontrava em fermentação no final
da atividade. Tal como observado em outras fermentações desta cerveja, entre as 300 e
400 h o valor de diacetilo inferior a 0.15 mg/L foi alcançado, sendo este comportamento
mais expectável. A diferença de durações pode ser explicada pela possível
contaminação da fermentação por Pediococcus, que permite manter concentrações
elevadas de diacetilo [27, 64], assim como a possível baixa concentração de levedura
viável [22].
Os valores finais de diacetilo obtidos encontram-se abaixo do limite de perceção deste
composto, já que devem ser inferiores a 0.15 mg/L, fornecendo assim um sabor a malte.
Caso este valor seja ultrapassado prevalece o sabor amanteigado [27, 61]. Deste modo,
pode-se considerar que se foi eliminado o sabor do diacetilo, os restantes aromas
indesejáveis da cerveja a fermentar também o foram [22]. A diferença de concentrações
entre cervejas justifica-se pelos diferentes tipos, sendo normal os valores superiores para
o tipo Stout [27].
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
11,11,21,31,4
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Dia
ceti
lo (
mg/L
)
Tempo (h) SB
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 100 200 300 400 500 600
Dia
ceti
lo (
mg/L
)
Tempo (h) SBS
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
42
Esta diminuição do diacetilo ocorre devido à re-assimilação pela levedura, que no seu
interior é convertida a acetoína e depois a 2,3 butanodiol [22, 25, 27, 62]. As enzimas
envolvidas são a 2,3 butanodiol desidrogenase e algumas ceto redutases [27, 62]. Estes
novos compostos da cerveja, como apresentam elevados limites de perceção não são um
perigo para a cerveja final [22, 62].
Foi possível verificar que à medida que a maturação decorre o valor de diacetilo
apresenta uma variação, conversão cada vez menor. Isto poderá estar associado à perda
de viabilidade da levedura, mais precisamente à perda de competência da membrana,
que deixa de conseguir reabsorver o diacetilo [27].
3.2 Cartas de controlo
As cartas calculadas para as variáveis definidas encontram-se apresentadas na secção
Anexos. A partir destas foi possível verificar a existência de alguns pontos superiores
aos limites, sugerindo que o processo fermentativo se encontra fora de controlo [56, 65]
na respetiva fase. Entre esses pontos podem-se destacar os instantes t=214 h para o
álcool, t=169 h e t=173 h para o diacetilo e o t=143 h para o AE, todos eles obtidos
pelas cartas das médias.
Para além das irregularidades verificadas nas fases acima citadas foi também visível a
existência de comportamentos não aleatórios em grande parte das fases analisadas.
Entre esses podem-se citar alguns como: o comportamento verificado para o diacetilo e
álcool na fase estacionária, onde os valores apresentam uma evolução, tendência ao
longo do tempo; a existência de séries de pontos consecutivos do mesmo lado da linha
central como no caso do AE e álcool na fase de desaceleração; a estratificação dos
pontos em torno da linha média central como em alguns intervalos da fase exponencial.
Alguns destes comportamentos também se verificaram na análise das cartas de s [56,
65].
Face ao elevado grau de defeitos enunciado pelos resultados, seria de esperar um
produto final com elevada heterogeneidade e fraca qualidade, algo que não se verificou
na realidade. Deste modo, deve-se considerar que as cartas de controlo de Shewart não
serão o melhor procedimento para este tipo de dados, mais precisamente dados
dependentes, auto correlacionados e com variáveis associadas entre si [56].
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
43
3.3 Calibrações multivariadas
Pela metodologia de PCA foi possível obter a distribuição de amostras presentes na
Figura 17. As imagens representam as amostras usadas para o cálculo das calibrações de
todos os parâmetros, à exceção do diacetilo para SB e do diacetilo e cor para SBS.
Em todas as análises foi verificado que as duas componentes principais calculadas
representam a quase totalidade da variância dos dados multivariados, destacando-se a
PC1que quase totaliza 100% da variância. A distribuição de pontos para ambas as
cervejas e regiões espetrais adquiriu forma de elipse, sendo visível uma clara
distribuição ao longo da PC1 quanto ao tempo de amostragem de cada análise.
SBS (VIS-SWNIR)
SBS (UV-VIS)
SB (VIS-SWNIR)
Figura 17 - Perfis do PCA para Super Bock e Super Bock Stout na região UV-VIS e VIS-SWNIR.
SB (UV-VIS)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
44
Para SB verificou-se que o valor desta componente aumentou à medida que a
fermentação decorreu, atingindo o valor máximo em amostras da fase exponencial e/ou
desaceleração fermentativa. A partir deste momento ocorreu um decréscimo contínuo
para valores inferiores aos iniciais.
Este tipo de evolução poderá estar associado à biomassa (variável não estudada nesta
atividade). Quanto à distribuição do PC2, verificou-se uma separação bem definida
entre amostras dos momentos iniciais da fermentação, das amostras finais da fase
exponencial e das fases subsequentes. Esta separação poderá justificar-se pela evolução
do extrato na cerveja verde.
g)
16 17 18 19
16
18
20
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pre
dic
ted
0 2 4 6 8
-50
51
0
Ytable[, Comp], 7 comps, validation
measured
pre
dic
ted
4.2 4.4 4.6 4.8
4.0
4.4
4.8
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
0 20 40 60 80
05
0
Ytable[, Comp], 7 comps, validation
measured
pre
dic
ted
5 10 15 20
-10
10
30
Ytable[, Comp], 7 comps, validation
measured
pre
dic
ted
12 13 14 15 16
10
12
14
16
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pre
dic
ted
0.1 0.3 0.5
0.0
0.2
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
a) b)
c) d)
e) f)
Figura 18 - Calibrações do PLS para Super Bock no VIS-SWNIR para: a) °Plato; b) álcool; c) ADF%;
d)pH; e) cor; f) extrato aparente; g) diacetilo.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
45
Na análise por PCA da Stout verificou-se que no VIS-SWNIR o perfil obtido
assemelha-se ao da SB, com exceção dos valores de PC2 para as amostras obtidas perto
do final da fermentação. No UV-VIS a distribuição foi muito diferente das restantes,
dado que os maiores valores de PC1 foram para amostras com tempos de amostragem
superiores e vice-versa.
Tal como observado na Figura 9 os espetros da análise da cerveja apresentam
espalhamento significativo. Como consequência este espalhamento apresenta dois
efeitos nos espetros, ou seja, ao proporcionar o aumento da perda de fotões promove
uma mudança no espetro de absorvância e quanto mais um fotão se difunde, maior será
a sua probabilidade ser absorvido. Estes fenómenos, associados ao comprimento de
onda, modificam a forma do espetro [66].
b) a)
0.1 0.3 0.5
0.00
0.15
Ytable[, Comp], 6 comps, validation
measured
pred
icte
d
16 17 18 19
15
17
19
21
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
0 2 4 6 8
05
15
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measuredp
red
icte
d
0 20 40 60 80
01
00
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
4.2 4.4 4.6 4.8
3.8
4.2
4.6
Ytable[, Comp], 10 comps, validation
measured
pre
dic
ted
12 13 14 15 16
11
13
15
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pre
dic
ted
5 10 15 20
-10
10
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pre
dic
ted
c) d)
e) f)
g)
Figura 19 - Calibrações do PLS para Super Bock no UV-VIS para: a) ºPlato; b) álcool; c) ADF%; d)pH;
e) cor; f)extrato aparente; g) diacetilo.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
46
Este espalhamento deveu-se às propriedades altamente dispersivas e ao caráter
heterogéneo do mosto cervejeiro. Mais precisamente, pode ser causado pela presença de
pequenas partículas [49] como o caso da biomassa, acumulação das partículas na sonda
[34, 47] e pela presença de bolhas de CO2 resultantes da fermentação [67].
Este comportamento foi visível nos espetros de ambas as regiões em todo o intervalo de
comprimentos de onda, e tendo em conta que altera os valores de variância, e por
conseguinte a análise química do espetro [34], a robustez das calibrações a efetuar são
muito afetadas, devido à sensibilidade a este tipo de variações [66]. Deste modo, a todas
as amostras analisadas foram aplicadas técnicas de pré-tratamento para correção de
espetros, como o algoritmo RMSC. Contudo, mesmo não sendo possível remover todo o
b)
4.1 4.3 4.5
4.05
4.20
4.35
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pred
icte
d
220 260 300
24
03
00
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pre
dic
ted
16.0 16.6 17.2
16.2
16.6
17.0
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pred
icte
d
4 6 8 12
24
68
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pred
icte
d
20 40 60 80
5570
85
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pred
icte
d
2 4 6
5.0
6.5
8.0
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pred
icte
d
0.1 0.3 0.5 0.7
0.0
0.2
0.4
Ytable[, Comp], 8 comps, validation
measured
pre
dic
ted
g)
a)
c) d)
Figura 20 - Calibrações do PLS para Super Bock Stout no VIS-SWNIR para: a) ºPlato; b) álcool; c)
ADF%; d)pH; e)cor; f) extrato aparente; g) diacetilo.
f) e)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
47
espalhamento presente, este não influenciou de forma decisiva as regressões PLS já que
a variação da absorvância foi superior ao espalhamento [47].
Os parâmetros estatísticos das regressões do PLS para ambas as cervejas estão presentes
nas Tabelas 4, 5, 6 e 7. Os valores de R2 para Super Bock apresentaram-se todos com
valores inferiores a 0.65 enquanto a Stout, com exceção da cor, apresentou valores
inferiores a 0.45.
Os parâmetros com melhor resultado para SB estiveram associados ao comportamento
do extrato no mosto em fermentação, na forma de AE e ADF, álcool e pH. Estes
parâmetros apresentaram R2 próximos de 0.6. Quanto à comparação entre dados de
diferentes regiões espetrais, não foi possível constatar o mesmo que [47], onde a região
a) b)
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
4.1
04
.25
Ytable[, Comp], 13 comps, validation
measured
pre
dic
ted
2 3 4 5 6 75
.06
.5
Ytable[, Comp], 10 comps, validation
measured
pre
dic
ted
220 260 300
22
02
80
34
0
Ytable[, Comp], 13 comps, validation
measured
pre
dic
ted
4 6 8 10 12 14
35
7
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
20 30 40 50 60 70 80
55
65
75
85
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
16.0 16.4 16.8 17.2
16
.21
6.8
Ytable[, Comp], 12 comps, validation
measured
pre
dic
ted
0.1 0.3 0.5 0.7
-0.1
0.2
0.5
Ytable[, Comp], 9 comps, validation
measured
pre
dic
ted
Figura 21 - Calibrações do PLS para Super Bock Stout no UV-VIS para: a) °Plato; b) álcool; c) ADF%;
d) pH; e) cor; f) extrato aparente; g) diacetilo.
f)
d)
e)
c)
g)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
48
VIS-SWNIR apresenta, quer na calibração e percentagens de variância quer em limites
de deteção, valores superiores ao UV-VIS. Contudo, tal como [47] os dados
apresentaram, aproximadamente, o mesmo tipo de relação quanto ao número de
decomposições espetrais, sendo o número de fatores (nPC), inferiores para VIS-
SWNIR, podendo-se concluir que esta região poderá conter informação melhor
correlacionada com os parâmetros em estudo.
Tabela 4 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock no VIS-
SWNIR.
Dados Variância % PRESS Erro LQ R2
°Plato Bloco X 100 5.3725×103 2.4432 24.4324 0.1637
8 nPC Bloco Y 24.91
Álcool Bloco X 100 2.5676×104 5.3412 53.3412 0.6250
7 nPC Bloco Y 66.42
ADF% Bloco X 100 2.4537×106 52.2141 522.1405 0.6360
7 nPC Bloco Y 67.39
pH Bloco X 100 1.0916×102 0.3483 3.4826 0.5829
9 nPC Bloco Y 65.40
Cor Bloco X 100 6.0982×103 2.6030 26.0304 0.2203
8 nPC Bloco Y 29.96
EA Bloco X 100 9.4584×104 10.2515 102.5148 0.6182
7 nPC Bloco Y 67.53
Diacetilo Bloco X 100 92.4648 0.1840 1.8404 0.1094
9 nPC Bloco Y 18.18
Tabela 5 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock no UV-
VIS.
Dados Variância % PRESS Erro LQ R2
°Plato Bloco X 100 4.9419×103 2.3433 23.4329 0.3620
9 nPC Bloco Y 41.65
Álcool Bloco X 100 3.1858×104 5.9496 59.4963 0.5850
8 nPC Bloco Y 61.50
ADF% Bloco X 100 3.2667×106 60.2467 602.4665 0.5850
9 nPC Bloco Y 63.82
pH Bloco X 100 1.1180×102 0.3525 3.5245 0.6250
10 nPC Bloco Y 68.58
Cor Bloco X 100 5.2906×103
2.4245 24.2454 0.3710
8 nPC Bloco Y 39.97
EA Bloco X 100 1.1695×105 11.3995 113.9945 0.5870
8 nPC Bloco Y 61.73
Diacetilo Bloco X 100 62.9397 0.1518 1.5184 0.1035
6 nPC Bloco Y 11.68
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
49
Ao contrário da SB, na SBS foi possível identificar que a região UV-VIS apresenta
melhores calibrações para todos os parâmetros sendo o R2 sempre superior a 0.29,
enquanto no VIS-SWNIR ocorreram valores inferiores a 0.20. Estes dados contrariam a
informação que o VIS-SWNIR é a região com melhores resultados [47].
Tabela 6 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock Stout no
VIS-SWNIR.
Dados Variância % PRESS Erro LQ R2
°Plato Bloco X 100 3.0062×102 0.6963 6.9633 0.1993
8 nPC Bloco Y 25.08
Álcool Bloco X 100 5.6507×103
3.0189 30.1894 0.3622
9 nPC Bloco Y 39.47
ADF% Bloco X 100 6.9455×105 33.4701 334.7013 0.3546
9 nPC Bloco Y 37.92
pH Bloco X 100 34.6139 0.2363 2.3628 0.2735
9 nPC Bloco Y 33.97
Cor Bloco X 100 7.2855×105 44.9862 449.8620 0.7275
8 nPC Bloco Y 79.77
EA Bloco X 100 2.1262×104 5.8561 58.5611 0.3388
9 nPC Bloco Y 36.65
Diacetilo Bloco X 100 45.2384 0.3595 3.5952 0.1844
8 nPC Bloco Y 33.18
Tabela 7 - Estimativas do modelo de regressão por mínimos quadrados parciais para Super Bock no UV-
VIS.
Dados Variância % PRESS Erro LQ R2
°Plato Bloco X 100 3.9921×102 0.8024 8.0243 0.3492
12 nPC Bloco Y 40.02
Álcool Bloco X 100 5.9266×103 3.0918 30.9176 0.4087
10 nPC Bloco Y 42.51
ADF% Bloco X 100 6.6455×105 32.7393 327.3927 0.3818
9 nPC Bloco Y 39.95
pH Bloco X 100 49.3248 0.2821 2.8206 0.2904
13 nPC Bloco Y 33.52
Cor Bloco X 100 9.5257×105 51.4395 514.3948 0.8139
13 nPC Bloco Y 88.09
EA Bloco X 100 2.0377×104 5.7329 57.3288 0.3674
9 nPC Bloco Y 38.62
Diacetilo Bloco X 100 45.8285 0.3619 3.6185 0.4243
9 nPC Bloco Y 50.74
Na Stout a variável com melhor R2 foi a cor, contudo este resultado poderá estar
associado à utilização de um procedimento diferente do usado para SB, ou seja, diluição
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
50
da cerveja e medição da absorvância com posterior correspondência para a escala de cor
EBC. Sobre este tipo de cerveja verifica-se relação semelhante à SB quanto à
decomposição espetral.
Entre os resultados dos dois tipos de cerveja foi possível verificar que a tecnologia em
causa apresentou-se mais adequada para a cerveja do tipo SB do que a SBS, tendo
contribuído para isso a diferença do número de amostras usadas. Nas calibrações das
Figuras 18, 19, 20 e 21 verificou-se elevada dispersão para alguns pontos de
amostragem, sendo as causas para tal comportamento referidas anteriormente.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
51
4 Conclusão
Na atividade, a partir das análises em meio industrial confirmou-se a evolução das
diversas variáveis ao longo da fermentação. Face ao comportamento não estacionário de
algumas variáveis concluiu-se a importância destas para o controlo do processo
fermentativo, destacando-se desde logo o papel de monitorização e controlo do AE, para
a fermentação primária, e do diacetilo para a fermentação secundária. Tendo em conta
este comportamento e a correlação existente intra e intervariáveis verificou-se a não
adequação das cartas de controlo de Shewart para o processo fermentativo.
Sobre a aplicação da tecnologia UV-VIS-SWNIR embora os resultados não sejam os
ideais, foi possível verificar correlação entre os dados da tecnologia que foi testada e
dos processos clássicos, permitindo declarar que a utilização da tecnologia UV-VIS-
SWNIR apresenta-se como bastante promissora na implementação e controlo de
processos biológicos. No caso em concreto, e tendo em conta os resultados e as
propostas de melhoria declaradas mais à frente, esta tecnologia apresenta grandes
perspetivas na monitorização das variáveis fundamentais do processo cervejeiro, como
o caso do AE, o álcool e o pH. No que toca à fermentação secundária, o modelo não se
demonstrou muito viável, dado os baixos valores obtidos para diacetilo.
Os processos usados para tratamento do ruído e do espalhamento espetral foram
aplicados satisfatoriamente, permitindo remover grande parte destes fatores. Contudo,
de modo a chegar a valores superiores de correlação algumas melhorias devem ser
aplicadas quer à fase quimiométrica do processo quer à metodologia de análise.
Quanto à quimiometria pode-se sugerir a aplicação de métodos que permitam melhorar
a interpretação entre as relações químicas e espetros, como por exemplo a combinação
da informação da região UV-VIS e VIS-SWNIR através da análise multibloco PLSR e a
aplicação de transformada de Fourier para compressão e modelação de espetros,
permitindo melhor interpretação da variância espetral durante os processos biológicos.
Sobre a metodologia, podem ser efetuadas alterações na sonda, usando para tal uma
sonda de reflexão total atenuada para melhoria de sinal em meios altamente densos.
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
52
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
53
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Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
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Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
59
Anexos
Parâmetros das cartas de controlo
Tabela 8 - Fatores utilizados para o cálculo dos limites das cartas de controlo dos valores médios, , e dos
desvios, s, de acordo com o número de observações, n, de cada uma das amostras usadas.
Carta para médias Carta para desvios-padrão
n A3 B3 B4
2 2.659 0 3.267
3 1.954 0 2.568
4 1.628 0 2.266
5 1.427 0 2.089
6 1.287 0.030 1.970
7 1.182 0.118 1.882
8 1.099 0.185 1.815
9 1.032 0.239 1.761
10 0.975 0.284 1.716
11 0.927 0.321 1.679
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
60
Cartas de controlo
Fase de aceleração
Extrato aparente (g/100 mL)
Figura 22 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
de aceleração.
5.1.1.1 Álcool (v/v)
Figura 23 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase de
aceleração.
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5
x
Tempo (h)
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5
s
Tempo (h)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
3,5 5,5 7,5 9,5 11,5
x
Tempo (h)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
61
Fase exponencial
Extrato aparente (g/100ml)
.
Figura 24 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
exponencial.
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
s
Tempo (h)
13
14
15
16
17
18
19
20
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
s
Tempo (h)
9
11
13
15
17
19
32 33 34 35 36 37 38 39 40
x
Tempo (h)
0
1
2
3
4
5
6
32 33 34 35 36 37 38 39 40
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
62
Figura 25 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
exponencial.
9
10
11
12
13
14
15
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
s
Tempo (h)
4
6
8
10
12
14
16
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
x
Tempo (h)
0
1
2
3
4
5
6
7
52 53 54 55 56 57 58 59 60
s
Tempo (h)
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
63
Figura 26 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
exponencial.
4
5
6
7
8
9
10
11
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
s
Tempo (h)
1
3
5
7
9
11
13
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
x
Tempo (h)
0
1
2
3
4
5
6
7
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
s
Tempo (h)
1
3
5
7
9
11
13
90 91 92 93 94 95 96 97
x
Tempo (h)
0
1
2
3
4
5
6
90 91 92 93 94 95 96 97
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
64
Álcool% (v/v)
Figura 27 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
exponencial.
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
x
Tempo (h) -0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
s
Tempo (h)
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
2,5
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
x
Tempo (h) -0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
s
Tempo (h)
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
x
Tempo (h)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
65
Figura 28 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
exponencial.
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
x
Tempo (h)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
s
Tempo (h)
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
s
Tempo (h)
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
x
Tempo (h)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
66
Figura 29 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
exponencial.
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
x
Tempo (h)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
s
Tempo (h)
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
x
Tempo (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
s
Tempo (h)
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
91 92 93 94 95 96 97
x
Tempo (h)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
91 92 93 94 95 96 97
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
67
Fase de desaceleração
Extrato aparente (g/100 mL)
Figura 30 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
de desaceleração.
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
98 102 106 110 114 118 122 126 130 134 138 142
x
Tempo (h)
-0,2
0,1
0,4
0,7
1,0
1,3
1,6
1,9
2,2
2,5
2,8
3,1
3,4
98 102 106 110 114 118 122 126 130 134 138 142
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
68
Álcool% (v/v)
Figura 31 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase de
desaceleração.
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
98 102 106 110 114 118 122 126 130 134 138 142
x
Tempo (h)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
98 102 106 110 114 118 122 126 130 134 138 142
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
69
Fase estacionária
Extrato aparente (g/100 mL)
Figura 32 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o extrato aparente durante a fase
estacionária.
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
x
Tempo (h)
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
70
Álcool% (v/v)
Figura 33 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o álcool durante a fase
estacionária.
7,3
7,5
7,7
7,9
8,1
8,3
8,5
8,7
8,9
9,1
9,3
140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340
x
Tempo (h)
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340
s
Tempo (h)
Monitorização do processo cervejeiro por espetroscopia no UV-VIS-SWNIR
71
Diacetilo (mg/L)
Figura 34 - Cartas de controlo dos valores médios, , e desvios, s, para o diacetilo durante a fase
estacionária.
-0,03
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,24
150 200 250 300
x
Tempo (h)
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
150 170 190 210 230 250 270 290
s
Tempo (h)
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