Effect of concentration on the phys

Effect of concentration on the physical properties of cashew juice
Patricia Moreira Azoubel a,*, D
ebora Cristina Cipriani b, ^Anoar Abbas El-Aouar b,
Graziella Colato Antonio b, Fernanda Elizabeth Xidieh Murr b
a Embrapa Semi-Arid, BR 428, Km 152, P.O. Box 23, Petrolina, PE 56302-970, Brazil
b Department of Food Engineering, College of Food Engineering, State University of Campinas, P.O. Box 6121, Campinas, SP 13083-970, Brazil
Received18 November 2003; accepted4 April 2004
Abstract
Thermal conductivity, thermal diffusivity, density and viscosity of cashew juice were measured at 30
C for soluble solids content
ranging from 5.5 to 25
Brix. Thermal conductivity and diffusivity were determined using a linear heat source probe. Both properties
were found to decrease with the increase of soluble solids content, while density and viscosity increased. Empirical models were fitted
to the experimental data for each property and the accuracy of those models was checked.
 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Cashew juice; Density; Thermal properties; Thermal diffusivity; Thermal conductivity; Viscosity
1. Introduction
Cashew juice is widely available on the Brazilian
market. This juice, which is a complex mixture of vitamins,
polyphenols, sugar, mineral salts, organic acids
andamino acids, is an excellent source of vitamin C,
containing approximately six times more vitamin C than
orange juice (da Silva, Collares, & Finzer, 2000; Soares
& Maia, 1970).
A knowledge of thermal properties is necessary for
effective design of food processing equipment, such as
heat exchangers andother equipment requiring pumping
of the product (de Moura, Germer, Jardim, &
Sadahira, 1998).
Over the years both measuredvalues of thermophysical
properties of foodas well as the mathematical
models for their calculation have been published
(Bhumbla, Singh, & Singh, 1989; de Moura et al., 1998;
Dickerson, 1968; Polley, Synder, & Kotnour, 1980; Riedel,
1949). However, the majority of the available data
for fruits are for sub-tropical ones. Little published
information is available about the thermal properties of
tropical fruit products like juices.
The objective of this work was to determine density,
thermal conductivity, thermal diffusivity and the rheological
behaviour of cashew juice as a function of soluble
solids content and to compare the experimental data
andthe values obtained from the mathematical models
foundin the literature.
2. Theory
Several methods are available to measure physical
properties of food. The line heat source probe can be
employed for the determination of thermal conductivity
andtherm al diffusivity simultaneously (Choi & Okos,
1983; Nix, Lowery, Vachen, & Tanger, 1967). Advantages
of this methodare the short duration of the
experiments, simplicity, speedan drelative ly small sample
requirement (AbuDagga & Kolbe, 1997; Tocci,
Flores, & Mascheroni, 1997).
The theory of this methodis presentedin detail by
many researchers (Blackwell, 1954; Nix et al., 1967) and
is basedon the fact that the temperature rise at a point
close to a line heat source, in a semi-infinite solid, subjectedto
a step change heat source, is a function of time,
the thermal properties of the solidandthe source
strength (Choi & Okos, 1983). The expression in which
the thermal conductivity may be obtained is
Journal of FoodEnginee ring 66 (2005) 413–417
www.elsevier.com/locate/jfoodeng
* Corresponding author. Tel.: [phone]; fax: [phone]-
1744.
E-mail address: [e-mail] (P.M. Azoubel).
0260-8774/$ - see front matter  2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.
doi:10.1016/j.jfoodeng.2004.04.008
k ¼
Qlnðt2  t0Þ=ðt1  t0Þ
4pðT2  T1Þ
; ð1Þ
where k is the thermal conductivity of the sample
(Wm1 K1), Q is the heat source strength (Wm1), t1
and t2 are the initial andfinal times (s), respectively,
when lnðtÞ versus T plot becomes linear and T1 and T2
are the temperature (K) at times t1 and t2, respectively.
A time correction factor (t0) was introduced to correct
the effect of finite heat diameter and finite heat
resistance between the heat source andthe sample (Van
der Held & Van Drunen, 1949).
The determination of thermal diffusivity using the line
source technique is possible without information of
density and specific heat by using the following expression
(Choi & Okos, 1983):
T ¼
Q
2pk
Z a
b
expðb2Þ
b
db; ð2Þ
where b is inversely proportional to ðaÞ0:5:
b ¼
r
2 ffiffiffiffi at
p ; ð3Þ
where r is the distance from the heat line (m) and a is the
thermal diffusivity (m2 s1).
Nix et al. (1967) give the following series expression
for evaluation of the above integral:
T ¼
Q
2pk


Ce
2
 ln b þ
b2
2  1!

b4
4  2!
þ  

; ð4Þ
where Ce is Euler constant (0.577).
Nix et al. (1967) foundthat the first 40 terms of the
above equation needto be evaluatedto insure convergence.
However, for values of 0 < b < 0:16, the residual
error occurs if only the first two terms within the
brackets are taken. That condition is easily attained if
the probe andthe point where temperature is measured
are closely locatedandthe time is larger (order of
minutes; Urbicain & Lozano, 1997).
3. Material and methods
3.1. Materials
Cashew juice at various soluble solids content (5.5–25

Brix) was made from a 9.6
Brix pulp obtainedin a
local market of Campinas, Brazil. The main characteristics
of this pulp juice are summarizedin Table 1.
The 5.5
Brix juice was made by reconstituting the
original pulp with distilled water. The concentration of
cashew juice was carriedout in a rotary evaporator, in
which the evaporation chamber was rotating at a constant
speedin a water bath at 54
C. The solutions were
concentratedto 11.3, 15.5, 17.0, 20.0, 23.4 and25.0

Brix. All the obtainedjuice s were filtered to remove
suspended particles using a 50 mesh sieve with an
opening width of 300 lm. The total soluble solids were
measuredby a bench refractometer (PZO Warszawa).
Each juice sample was placedin 50 ml beakers. Error
due to natural convection was avoided by adding 2%
agar to the juice.
3.2. Thermophysical properties
The thermophysical properties were determined at 30

C, accurately controlledwith a constant temperature
circulation bath. Experiments were conducted in triplicate.
A Pycnometric methodwas usedto determine the
density of cashew apple. Pycnometers of 25 ml capacity
were usedan dthey were calibrated with water. A water
bath was usedfor controlling temperature.
A probe was usedto measure simultaneously thermal
conductivity and thermal diffusivity. The probe encloses
a heater wire anda thermocouple junction containedin
a hypodermical needles (L ¼ 5 cm, D ¼ 0:2 cm for the
thermal conductivity probe and L ¼ 5 cm, D ¼ 0:1 cm
for the thermal diffusivity probe). Construction of the
line heat source probe is described by Choi and Okos
(1983).
A constant electrical current of 3.6 A was appliedto
the heater wire. The system was computerizedanda
Scanlog data aquisition software recorded the thermocouple
reading every 4 s for a total duration of 20 min
(Fig. 1). A digital multimeter was used to check the
voltage during data collection.
The thermal conductivity and the thermal diffusivity
probes were positionedin the samples in such a way that
Table 1
Specifications of the 9.6
Brix cashew juice
Moisture (%) 90.4
Total sugars (%) 10.24
Reducing sugars (%) 9.85
pH 3.88
Fibers (%) 0.24
Fig. 1. Thermal conductivity and diffusivity measurement apparatus.
414 P.M. Azoubel et al. / Journal of Food Engineering 66 (2005) 413–417
the full length of the probes were covered. Thermal
conductivity was calculated on the basis of Eq. (1). The
heat input Q in this equation was calculatedfrom the
resistance of the constantan heater andthe electrical
current, according to the equation Q ¼ I2R. The probe
was tested by determining thermal conductivity and
thermal diffusivity of water (2% agar).
A programmable Brookfieldrheomet er (LV DV-II+)
was usedto determine the viscosity andshear rate of
juice. The sample was put in the concentric cylinder of
the rheometer andheated in a water bath at 30
C. The
power law parameters were determined from the
apparent viscosities measuredat different shear rates.
4. Results and discussion
4.1. Thermal conductivity and thermal diffusivity
Experimental results of thermal conductivity (k) and
thermal diffusivity (a) at eight selectedsoluble solids
levels ranging from 5.5 to 25
Brix at 30
C are shown in
Figs. 2 and3, respectively. There was a strong dependence
of these properties on concentration and a
noticeable decrease was observed as concentration increased.
With an increase in water fraction of fruit juices,
there is an increase in these thermal properties of
fruit juices because comparedwith thermal conductivity
and thermal diffusivity of the solids present in the juice,
since water has a higher value of these properties.
Measurements of k and a of cashew juice were not
foundin the literature. However, the obtained values fall
into the range reportedfor other fruits andtheir products,
like juices andpul ps (Constenla, Lozano, &
Capriste, 1989; Jaramillo-Flores & Hernandez-Sanchez,
2000; Singh, 1982; Zainal, Rahman, Ariff, Saari, & Asbi,
2000).
Values of k and a predicted by different models are
shown in Figs. 2 and3, respectively. It is seen that the
proposedmod els are more accurate, with R2 > 0:93:
k ¼ 0:5994  6:0527  103C ðR2 ¼ 0:974Þ; ð5Þ
a ¼ 1:45751  107  0:00558  107C ðR2 ¼ 0:932Þ;
ð6Þ
where C is the concentration (
Brix).
4.2. Density
The relationship between the density of cashew juice
andsoluble solids can be presentedas a straight line
(Fig. 4) andgiven as
q ¼ 0:99562 þ 0:00412C ðR2 ¼ 0:996Þ: ð7Þ
The density of cashew juice increased with increasing
soluble solids concentration. This result is in agreement
with depectined and clarified peach juice and orange
5 10 15 20 25 30
0.40
0.42
0.44
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
0.56
0.58
0.60
0.62
k (W.m-1.K-1)
C (°Brix)
Experimental
Kolarov & Gromov (1973)
Spells (1960)
Rie

Kết quả (Việt) 1:

Hiệu quả của tập trung vào các đặc tính vật lý của nước trái cây hạt điềuPatricia Moreira Azoubel một, *, D ebora Cristina Cipriani b, ^ Anoar Abbas El-Aouar b,Graziella Colato Antonio b, Fernanda Elizabeth Xidieh Murr bEmbrapa bán khô cằn, BR 428, Km 152, P.O. Box 23, Petrolina, PE 56302-970, Bra-xinb sở thực phẩm kỹ thuật, kỹ thuật đại học thực phẩm, đại học bang Campinas, P.O. Box 6121, Campinas, SP 13083-970, Bra-xinReceived18 tháng 11 năm 2003; accepted4 tháng 4 năm 2004Tóm tắtĐộ dẫn nhiệt, nhiệt diffusivity, mật độ và độ nhớt của nước trái cây điều được đo ở 30 C cho nội dung chất rắn hòa tankhác nhau, từ 5,5 đến 25 Brix. Độ dẫn nhiệt và diffusivity đã được xác định bằng cách sử dụng một thăm dò nguồn tuyến tính nhiệt. Cả hai thuộc tínhđã được tìm thấy để giảm với sự gia tăng của hòa tan chất rắn nội dung, trong khi mật độ và độ nhớt tăng lên. Thực nghiệm mô hình được trang bịđể các dữ liệu thử nghiệm cho mỗi tài sản và sự chính xác của những mô hình đã được kiểm tra.Năm 2004 Elsevier Ltd. Tất cả các quyền.Từ khóa: Hạt điều nước; Mật độ; Tính chất nhiệt; Nhiệt diffusivity; Độ dẫn nhiệt; Độ nhớt1. giới thiệuNước trái cây điều là có sẵn rộng rãi trên Brazilthị trường. Nước trái cây này, mà là một hỗn hợp phức tạp của vitamin,polyphenol, đường, muối khoáng, acid hữu cơaxít andamino, là một nguồn tuyệt vời của vitamin C,có khoảng sáu lần nhiều vitamin C hơnnước cam (da Silva, Collares, & Finzer, năm 2000; Soares& Maia, 1970).Một kiến thức về tính chất nhiệt là cần thiết choCác thiết kế hiệu quả của thực phẩm chế biến thiết bị, chẳng hạn nhưbộ trao đổi nhiệt andother thiết bị đòi hỏi phải bơmcủa sản phẩm (de Moura, Germer, Jardim, &Sadahira, 1998).Trong những năm qua cả hai measuredvalues bị nhiệt vật lýthuộc tính của foodas cũng như các toán họcMô hình cho tính toán của họ đã được công bố(Bhumbla, Singh, & Singh, 1989; de Moura và ctv, 1998;Dickerson, năm 1968; Polley, Synder, và Kotnour, 1980; Riedel,Năm 1949). Tuy nhiên, phần lớn các dữ liệu có sẵnĐối với trái cây cho tiểu nhiệt đới người. Ít được công bốthông tin có sẵn về các tính chất nhiệt củasản phẩm trái cây nhiệt đới như nước trái cây.Mục tiêu của công việc này là để xác định mật độ,độ dẫn nhiệt, nhiệt diffusivity và các lưu biếnhành vi của điều nước trái cây như là một chức năng của hòa tannội dung chất rắn và so sánh dữ liệu thử nghiệmvà các giá trị thu được từ các mô hình toán họcfoundin các tài liệu.2. lý thuyếtMột số phương pháp có sẵn để đo vật lýthuộc tính của thực phẩm. Thăm dò nguồn dòng nhiệt có thểsử dụng cho việc xác định độ dẫn nhiệtandtherm al diffusivity cùng một lúc (Choi & Okos,1983; Nix, Lowery, Vachen, & Tanger, 1967). Lợi thếcủa này methodare trong thời gian ngắn của cácthí nghiệm, đơn giản, speedan drelative lý mẫu nhỏyêu cầu (AbuDagga & Kolbe, 1997; Tocci,Flores, & Mascheroni, 1997).Lý thuyết này chi tiết presentedin methodis bởinhiều nhà nghiên cứu (Blackwell, năm 1954; Nix et al., 1967) vàbasedon là một thực tế rằng nhiệt độ tăng lên tại một điểmgần với một nguồn nhiệt dòng, trong một rắn bán vô hạn, subjectedtomột bước thay đổi nguồn nhiệt, là một chức năng của thời gian,Các tính chất nhiệt của nguồn solidandthesức mạnh (Choi & Okos, 1983). Biểu hiện trong đóđộ dẫn nhiệt có thể được thu được làTạp chí FoodEnginee vòng 66 (2005) 413-417www.Elsevier.com/Locate/jfoodeng* Tác giả tương ứng. Điện thoại: + 55-87-3862-1711; Fax: + 55-87-3862 -1744.E-mail địa chỉ: [e-mail] (chiều Azoubel).0260-8774 / $ – xem trước quan trọng năm 2004 Elsevier Ltd. Tất cả các quyền.Doi:10.1016/j.jfoodeng.2004.04.008k ¼Qlnðt2 t0Þ = ðt1 t0Þ4pðT2 T1Þ; ð1Þk là độ dẫn nhiệt của mẫu(Wm 1 K 1), Q là nhiệt nguồn sức mạnh (Wm 1), t1và t2 andfinal ban đầu lần (s), tương ứng,Khi trở thành lnðtÞ so với T cốt truyện tuyến tính và T1 và T2có nhiệt độ (K) lần t1 và t2, tương ứng.Một yếu tố điều chỉnh thời gian (t0) đã được giới thiệu để sửa chữaảnh hưởng của nhiệt độ hữu hạn đường kính và nhiệt độ hữu hạnkháng chiến giữa nguồn nhiệt và mẫu (Vander Held & Van Drunen, 1949).Xác định nhiệt diffusivity bằng cách sử dụng dòngnguồn kỹ thuật có thể mà không có thông tin củamật độ và nhiệt bằng cách sử dụng các biểu hiện sau(Choi & Okos, 1983):T ¼Q2pkZ mộtbexpð b2ÞbDB; ð2Þnơi b là tỷ lệ nghịch với ðaÞ0:5:b ¼r2 ffiffiffiffi lúcp; ð3Þnơi là khoảng cách từ dòng nhiệt (m) và một là cácnhiệt diffusivity (m2 s 1).Nix et al. (1967) cho biểu thức loạt sauđể đánh giá tích phân ở trên:T ¼Q2pkCE2LN b þB22 1!B44 2!þ  ; ð4Þđó Ce là hằng số Euler (0.577).Nix et al. (1967) foundthat các điều khoản đầu tiên 40 của cáctrên phương trình cần evaluatedto bảo đảm hội tụ.Tuy nhiên, với giá trị 0 < b < 0:16, còn lạilỗi xảy ra nếu chỉ hai lần đầu tiên điều khoản trong vòng cáckhung được chụp. Rằng tình trạng dễ dàng đạt được nếuCác thăm dò và điểm nơi nhiệt độ được đođang chặt chẽ locatedandthe thời gian là lớn hơn (Huân chươngphút; Urbicain & Lozano, 1997).3. tài liệu và phương pháp3.1. vật liệuNước trái cây điều nhiều nội dung chất rắn hòa tan (5,5-25Brix) đã được thực hiện từ một 9.6 Brix bột giấy obtainedin mộtthị trường địa phương của Campinas, Bra-xin. Đặc điểm chínhcủa nước trái cây bột giấy này là summarizedin bảng 1.Nước trái cây Brix 5.5 đã được thực hiện bởi reconstituting cácgốc bột với nước cất. Nồng độnước trái cây điều vào carriedout trong một máy chưng cho khô,mà phòng bốc hơi quay ở một hằng sốspeedin tắm nước ở 54 C. Các giải pháp đãconcentratedto 11.3, 15.5, 17.0, 20.0, 23.4 and25.0Brix. Tất cả s obtainedjuice được tinh lọc để loại bỏsuspended particles using a 50 mesh sieve with anopening width of 300 lm. The total soluble solids weremeasuredby a bench refractometer (PZO Warszawa).Each juice sample was placedin 50 ml beakers. Errordue to natural convection was avoided by adding 2%agar to the juice.3.2. Thermophysical propertiesThe thermophysical properties were determined at 30
C, accurately controlledwith a constant temperaturecirculation bath. Experiments were conducted in triplicate.A Pycnometric methodwas usedto determine thedensity of cashew apple. Pycnometers of 25 ml capacitywere usedan dthey were calibrated with water. A waterbath was usedfor controlling temperature.A probe was usedto measure simultaneously thermalconductivity and thermal diffusivity. The probe enclosesa heater wire anda thermocouple junction containedina hypodermical needles (L ¼ 5 cm, D ¼ 0:2 cm for thethermal conductivity probe and L ¼ 5 cm, D ¼ 0:1 cmfor the thermal diffusivity probe). Construction of theline heat source probe is described by Choi and Okos(1983).A constant electrical current of 3.6 A was appliedtothe heater wire. The system was computerizedandaScanlog data aquisition software recorded the thermocouplereading every 4 s for a total duration of 20 min(Fig. 1). A digital multimeter was used to check thevoltage during data collection.The thermal conductivity and the thermal diffusivityprobes were positionedin the samples in such a way thatTable 1Specifications of the 9.6
Brix cashew juiceMoisture (%) 90.4Total sugars (%) 10.24Reducing sugars (%) 9.85pH 3.88Fibers (%) 0.24Fig. 1. Thermal conductivity and diffusivity measurement apparatus.414 P.M. Azoubel et al. / Journal of Food Engineering 66 (2005) 413–417the full length of the probes were covered. Thermalconductivity was calculated on the basis of Eq. (1). Theheat input Q in this equation was calculatedfrom theresistance of the constantan heater andthe electricalcurrent, according to the equation Q ¼ I2R. The probewas tested by determining thermal conductivity andthermal diffusivity of water (2% agar).A programmable Brookfieldrheomet er (LV DV-II+)was usedto determine the viscosity andshear rate ofjuice. The sample was put in the concentric cylinder ofthe rheometer andheated in a water bath at 30
C. Thepower law parameters were determined from theapparent viscosities measuredat different shear rates.4. Results and discussion4.1. Thermal conductivity and thermal diffusivityExperimental results of thermal conductivity (k) andthermal diffusivity (a) at eight selectedsoluble solidslevels ranging from 5.5 to 25
Brix at 30
C are shown inFigs. 2 and3, respectively. There was a strong dependenceof these properties on concentration and anoticeable decrease was observed as concentration increased.With an increase in water fraction of fruit juices,there is an increase in these thermal properties offruit juices because comparedwith thermal conductivityand thermal diffusivity of the solids present in the juice,since water has a higher value of these properties.Measurements of k and a of cashew juice were notfoundin the literature. However, the obtained values fallinto the range reportedfor other fruits andtheir products,like juices andpul ps (Constenla, Lozano, &Capriste, 1989; Jaramillo-Flores & Hernandez-Sanchez,2000; Singh, 1982; Zainal, Rahman, Ariff, Saari, & Asbi,2000).Values of k and a predicted by different models areshown in Figs. 2 and3, respectively. It is seen that theproposedmod els are more accurate, with R2 > 0:93:k ¼ 0:5994  6:0527  103C ðR2 ¼ 0:974Þ; ð5Þa ¼ 1:45751  107  0:00558  107C ðR2 ¼ 0:932Þ;ð6Þwhere C is the concentration (
Brix).4.2. DensityThe relationship between the density of cashew juiceandsoluble solids can be presentedas a straight line(Fig. 4) andgiven asq ¼ 0:99562 þ 0:00412C ðR2 ¼ 0:996Þ: ð7ÞThe density of cashew juice increased with increasingsoluble solids concentration. This result is in agreementwith depectined and clarified peach juice and orange5 10 15 20 25 300.400.420.440.460.480.500.520.540.560.580.600.62k (W.m-1.K-1)C (°Brix)ExperimentalKolarov & Gromov (1973)Spells (1960)Rie