Aplicação da Análise Multivariada de Dados no Preparo de Amostra e na Determinação da Composição Mineral de Leguminosas

De Wagna Piler Carvalho dos Santos

A obra apresenta uma discussão sobre a relevância das leguminosas no cenário nacional e internacional, pelos aspectos nutricionais ou socioeconômicos, principalmente para países em desenvolvimento, por representarem fonte relativamente acessível de micronutrientes.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Appris
• Data de lançamento: 22 de jan. de 2021
• ISBN: 9786558200307

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COMITÊ CIENTÍFICO DA COLEÇÃO ENSINO DE CIÊNCIAS

Dedicamos essa obra em memória ao Prof. Dr. Celso Spínola e a todos os Grandes, professores e professoras, que contribuem para a formação de um povo solidário e liberto.

AGRADECIMENTOS

A Deus, que nos fortalece nos momentos difíceis e permitiu que estivéssemos aqui, bem como à família, nossa fortaleza. Especial agradecimento aos professores do Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia e a todos os amigos e colegas que contribuíram para a produção desse trabalho. Agradecemos também às agências de fomento que financiaram de alguma maneira a pesquisa: Fundação de Amparo à Pesquisa da Bahia (FAPESB), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e à PETROBRÁS. E por fim, ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia pelo apoio à pesquisa durante minha trajetória profissional.

Wagna Piler Carvalho dos Santos

Maria das Graças Andrade Korn

Embora tentasse mostrar-se severo com os seus alunos, Francisco Gaivota viu-os de repente como eram realmente, por um momento, e, mais do que gostou, amou o que viu. Não há limites, Fernão?, pensou, e sorriu. A sua corrida para a aprendizagem acabava de começar.

(Richard Bach)

Sejamos galinhas e águias: realistas e utópicos, enraizados no concreto e abertos ao possível ainda não ensaiado, andando no vale, mas tendo os olhos nas montanhas. Recordemos a lição dos antigos: se não buscarmos o impossível (a águia) jamais conseguiremos o possível (a galinha).

Jesus é comparado à vida.

Vida é encontro de matéria e espírito. A matéria nunca é inerte. Sempre é interativa. O espírito é essa força de interação. Juntos, matéria e espírito, perfazem a vida, a culminância da evolução, a síntese suprema de todas as energias e de todas as partículas materiais que se auto-organizam.

(Leonardo Boff)

APRESENTAÇÃO

Esta obra é fruto do trabalho de pesquisa de caráter experimental, no âmbito do Grupo de Pesquisa em Química Analítica da Universidade Federal da Bahia. O trabalho focou no desenvolvimento de estratégias para análise mineral de alimentos de origem vegetal, especificamente, grãos de leguminosas de importância na produção da agricultura familiar. O feijão comum, Phaseolus Vulgaris L, é a espécie de feijão mais consumido em todo o território nacional, e o caupi (Vigna unguiculata L.), mais consumido na região Nordeste do Brasil. As demais espécies, o guandu (Cajanus cajan L.) e o mangalô (Lablab purpureus L.), são mais tradicionais em alguns estados da região Nordeste, em especial na Bahia. Dada a relevância dos grãos dessas leguminosas para a segurança alimentar do Brasil e do mundo, investigou-se procedimentos de preparo de amostra e técnicas de determinação que visassem fornecer informações confiáveis sobre a composição desses grãos em termos nos elementos essenciais e tóxicos.

As características nutricionais e antinutricionais, relacionadas à composição química desses alimentos, são apresentadas no Capítulo I, bem como o seu potencial enquanto alimento funcional, devido à presença de compostos bioativos, tais como fitohemaglutinina e flavonóides. Além disso, são elencadas técnicas, métodos e procedimentos analíticos utilizados na determinação de minerais e traços essenciais e tóxicos presentes em quantidades traços nos grãos de leguminosas.

O Capítulo II descreve os aspectos metodológicos da pesquisa experimental, apresenta detalhes os instrumentos e procedimentos utilizados para a realização dos experimentos, além das ferramentas estatísticas empregadas no tratamento dos dados e na análise dos resultados.

No Capítulo III, são avaliadas condições prévias, e há uma análise especificamente empregando a espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado, visando à definição das melhores condições instrumentais para a determinação. Assim como, as técnicas relacionadas ao pré-tratamento das amostras, prioritariamente a garantir a homogeneidade da amostra. A quimiometria foi uma grande aliada em todos os experimentos, destacadamente nos processos de otimização de variáveis empregando técnicas multivariadas, conduzindo a estratégias de análise mais econômicas e eficientes. O planejamento fatorial e o planejamento de mistura foram ferramentas estatísticas mais presentes no processo de investigação, além das técnicas de metodologias de superfície de resposta, em especial Doehlert e Box-Behnken.

Nos Capítulos IV, V e VI são discutidos e propostos métodos e procedimentos analíticos para determinar a composição mineral e traços essenciais e tóxicos nos grãos de leguminosas, empregando diferentes estratégias de preparo de amostra e quantificação: sistema por aquecimento condutivo a pressão atmosférica, sistemas de extração ultrassônica e sistemas assistidos por radiação de micro-ondas. O Capítulo VI traz a aplicação do procedimento de digestão em forno de microondas com cavidade em 103 amostras de grãos de leguminosas das quatro espécies investigadas consumidas e comercializadas no Estado da Bahia. Com o objetivo de identificar agrupamentos naturais das concentrações dos elementos e reconhecimento de padrões, foi utilizada a Análise de Componentes Principais (PCA).

Por fim, os procedimentos desenvolvidos e otimizados são comparados nas suas características e condições experimentais para determinação de macro, micro e elementos traço em leguminosas, o que oferece ao leitor um panorama geral das estratégias analíticas propostas.

Desejamos que a leitura seja uma boa experiência!

Wagna Piler Carvalho dos Santos

Maria das Graças Andrade Korn

Sumário

Capítulo I

Considerações sobre leguminosas 19

1.1 INTRODUÇÃO 19

1.1.1 Composição aproximada 23

1.1.2 Fatores antinutricionais 29

1.1.3 Benefícios à saúde 33

1.2 DETERMINAÇÃO ELEMENTAR 37

1.2.1 Macro, micro e elementos traço em leguminosas 37

1.2.2 Determinação de macro, micro e elementos traço em leguminosas 48

1.2.3 Técnicas de preparo de amostra aplicadas às leguminosas 52

1.2.3.1 Incineração 53

1.2.3.2 Mineralização por via úmida 55

1.2.3.3 Uso da irradiação por micro-ondas 57

1.2.3.4 Extração e Lixiviação sequencial 58

Capítulo II

Parte experimental 63

2.1 REAGENTES E SOLUÇÕES 63

2.2 AMOSTRAS E MATERIAIS DE REFERÊNCIA CERTIFICADOS 64

2.3 INSTRUMENTAÇÃO 64

2.3.1 Pré-tratamento das amostras 64

2.3.2 Preparo das amostras em sistemas com aquecimento condutivo 65

2.3.3 Preparo das amostras em sistemas assistidos por radiação micro-ondas 65

2.3.4 Preparo das amostras em sistemas assistidos por US 67

2.3.5 Determinação dos analitos 67

2.4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 70

2.4.1 Pré-tratamento das amostras 70

2.4.2 Procedimentos de decomposição das amostras 71

2.4.3 Determinação do teor de carbono total 72

2.4.4 Micrografias 72

Capítulo III

Avaliação das etapas de pré-tratamento 75

3.1 AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS NAS DETERMINAÇÕES EMPREGANDO ICP OES 79

3.1.1 Avaliação da robustez 80

3.1.2 Comparação dos sistemas de introdução da amostra 86

3.1.3 Avaliação da acidez 87

3.1.4 Escolha das linhas espectrais para determinação multielementar no

ICP OES axial 92

3.2 PRÉ-TRATAMENTO DE AMOSTRAS DE LEGUMINOSAS 94

3.2.1 Procedimentos de moagem e peneiramento 96

3.2.2 Planejamento fatorial aplicado às etapas de pré-tratamento:

moagem e peneiramento 96

3.2.3 Resultados e discussão 100

3.3 CONCLUSÕES 112

Capítulo IV

Sistemas por aquecimento condutivo 115

4.1 OTIMIZAÇÃO DOS SISTEMAS COM AQUECIMENTO CONDUTIVO 115

4.2 RESULTADOS E DISCUSSÃO 121

4.2.1 Digestão em chapa 121

4.2.2 Digestão em bloco 125

4.2.3 Comparação dos teores de carbono e acidez residuais 130

4.3 VALIDAÇÃO DOS PROCEDIMENTOS EM SISTEMA CONDUTIVO 132

4.3.1 Efeito de matriz 133

4.3.1.1 Estudo de interferentes 133

4.3.1.2 Técnica de adição de analito 135

4.3.2 Precisão 143

4.3.3 Limites de detecção e quantificação 144

4.3.4 Exatidão 144

4.4 APLICAÇÃO DOS PROCEDIMENTOS COM AQUECIMENTO C

ONDUTIVO À PRESSÃO ATMOSFÉRICA 146

4.5 CONCLUSÕES 152

Capítulo V

Sistemas de extração ultrassônica 153

5.1 OTIMIZAÇÃO DA EXTRAÇÃO ULTRASSÔNICA 154

5.1.1 Procedimento de extração ultrassônica 155

5.1.2 Planejamento de mistura aplicado à extração ultrassônica 156

5.1.3 Planejamento Box-Behnken aplicado à extração ultrassônica 157

5.2 RESULTADOS E DISCUSSÃO DA OTIMIZAÇÃO DA EXTRAÇÃO ULTRASSÕNICA 158

5.2.1 Planejamento de mistura 158

5.2.2 Planejamento Box-Behnken 166

5.2.3 Características analíticas do procedimento assistido por US 172

5.2.4 Aplicação do procedimento assistido por US 172

5.3 CONCLUSÕES 173

Capítulo VI

Sistemas assistidos por radiação micro-ondas 175

6.1. DIGESTÃO ASSISTIDA POR MICRO-ONDAS FOCALIZADAS 177

6.1.1 Otimização do procedimento assistido por micro-ondas focalizadas 179

6.1.2 Resultados e discussão 180

6.1.3 Validação do sistema assistido por micro-ondas focalizadas 186

6.1.4 Aplicação do sistema assistido por micro-ondas focalizadas 188

6.2 DIGESTÃO EM FORNO DE MICRO-ONDAS COM CAVIDADE 189

6.2.1 Estudos preliminares 191

6.2.2 Planejamento fatorial aplicado a sistemas assistidos por radiação

micro-ondas e ácidos diluídos 193

6.2.3 Resultados e discussão 194

6.2.4 Validação do procedimento de digestão em forno de micro-ondas

com cavidade 203

6.2.4.1 Precisão 203

6.2.4.2 Limites de detecção e quantificação 204

6.2.4.3 Exatidão 206

6.2.5 Aplicação do procedimento de digestão em forno de micro-ondas

com cavidade 209

6.3 CONCLUSÕES 221

Capítulo VII

Considerações finais 223

REFERÊNCIAS 227

ÍNDICE REMISSIVO 253

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Capítulo I

Considerações sobre leguminosas

1.1 INTRODUÇÃO

As leguminosas referem-se às plantas da família botânica Leguminosae, também conhecida como Fabaceae, que contém aproximadamente 18.000 espécies. São representantes desses vegetais o feijão comum, o caupi, o feijão-fava, a lentilha, a ervilha, o amendoim, o grão-de-bico, a soja etc. (YOKOYAMA, 2000). As sementes secas comestíveis, também conhecidas como pulses, forma que, em geral, são disponibilizadas para consumo humano, também denominam-se, grãos de leguminosas (IQBAL et al., 2006). As leguminosas também são consumidas ora na forma de vagens, ora na forma de grãos maduros, secos (quiescente) e verdes (imaturos). Para o consumo na forma de grão verde, as vagens são colhidas quando começam a amadurecer e, para produção de grão seco, as vagens são colhidas secas.

O fruto, chamado de legume, é a parte que melhor caracteriza essa família. Uma característica importante e singular das leguminosas é atuarem como bons fixadores de nitrogênio (JESUS et al., 2004). A partir da simbiose de bactérias do gênero Bradyrhizobium com raízes de leguminosas, o nitrogênio é retirado do ar e liberado no solo por meio de nódulos desprendidos das plantas. Dessa forma, são capazes de transformar o nitrogênio atmosférico em nitrato. Esse processo pode dispensar a adubação nitrogenada nas culturas seguintes (MASCARENHAS et al., 2003), o que justifica sua utilização para recuperação do solo por meio da adubação verde (ROSA; ROCHA, 2003). As leguminosas também têm sido usadas na rotação de culturas para manejo de pestes e patógenos, para melhoria do solo e controle de ervas daninhas (MACHUKA, 2000).

As designações populares para as leguminosas são bastante variadas por sofrerem influências culturais de cada região. No Quadro 1 estão relacionadas algumas das sinonímias mais comumente empregadas e suas respectivas designações científicas. Os nomes comuns dos feijões brasileiros consumidos na forma de grãos secos mais conhecidos são: azuki (possui maior quantidade de minerais e é utilizado na culinária japonesa); branco (bastante usado em saladas e sopas, é muito consumido no Sul do Brasil); carioca (o mais cultivado e consumido pelos brasileiros em todo o país); fradinho (também chamado de feijão de corda, caupi ou macassar, é usado no preparo do acarajé, prato típico da Bahia); jalo (tem grãos grandes e amarelos, e é muito usado em saladas e sopas); preto (ingrediente indispensável no preparo da feijoada, é muito consumido no Rio de Janeiro, no sudeste de Minas Gerais, no Espírito Santo e na Região Sul); rosinha (de cor bege e tons rosados, é mais consumido nas regiões em que é produzido, como Goiás, Distrito Federal, Mato Grosso do Sul e Minas Gerais); roxinho (é bastante utilizado em saladas e sopas); mulatinho (tem cor bege e é muito consumido no Nordeste) (EMBRAPA, 2017a). A Figura 1 ilustra algumas leguminosas largamente conhecidas e suas respectivas sinonímias populares.

Quadro 1 –Sinonímia de leguminosas consumidas no Brasil e em outros países

Fonte: adaptado de http://herbarivirtual.uib.es/; www.plantamed.com.br/; www.inta.gov.ar/cerroazul/; http://www.rain-tree.com/velvetbean.htm. Acesso em: 2007.

O feijão comum, como é largamente conhecida a leguminosa pertencente à espécie Phaseolus vulgaris L., é cultivado em mais de 100 países eem grande variedade de cultivares (YOKOYAMA, 2000). É considerado alimento básico na dieta de populações no México, na América do Sul e Central, eem países africanos (BERRIOS et al., 1999), sendo a fonte mais significativa de proteínas de baixo custo para essa população (LÓPEZ-AMORÓS et al., 2006). O Brasil detém 95% da produção mundial do feijoeiro comum de diversas variedades de feijão comum. Segundo o IBGE, no ano de 2019 foram produzidas mais de 3 milhões de toneladas, considerando astrês safras ao ano (3.039.651 t/ano). As safras de 2017 e 2018 apresentaram resultado semelhante na produção total de feijão (CONAB, 2019).

Ao analisar a produção nacional do feijão, os principais produtores são Paraná, Minas Gerais, Bahia, São Paulo e Goiás (MORAES; MENELAU, 2017). O estado da Bahia é o maior produtor da Região Nordeste e contribuiu com 9,5% da produção total, considerando os 26 estados e o distrito federal nacional (IBGE, 2019). A Bahia também se destaca como mercado consumidor do feijão comum e variedades, bem como, do feijão caupi (YOKOYAMA, 2000). Dessa forma, são relevantes as informações sobre a composição química das leguminosas de grão, especialmente daquelas largamente consumidas pela população.

A cultura do caupi (Vigna unguiculata (L.) Walp.), leguminosa também conhecida por feijão-de-corda, feijão catador, feijão macassar, feijão-de-praia, feijão de vara, feijão pardo, feijão-miúdo, feijão-fradinho (grãos brancos) e outros nomes, é uma das culturas mais importantes das regiões Norte e Nordeste do Brasil (ANDRADE, 2002). Destaca-se como fornecedora de alimento e geradora de emprego e renda. Tem importância fundamental no contexto socioeconômico das famílias, sendo um dos principais componentes da dieta alimentar nas zonas rural e urbana. Essa cultura de subsistência já compreende 30% do feijão produzido no Brasil (EMBRAPA, 2017b). Além disso, o caupi possui elevado conteúdo proteico, energético e vitamínico, sendo superior ao feijão comum em alguns aspectos nutricionais (ANDRADE et al., 2003). O caupi tem despertado interesse quanto às suas potencialidades tecnológicas na indústria de alimentos (RANGEL et al., 2004; ABU et al., 2005; HERKENet al., 2006; ABU et al., 2006a, 2006b).

Novas cultivares de feijão comum têm sido desenvolvidas continuamente nos centros de pesquisa especializados, a exemplo de BRS Marataoã e Guariba, cultivares do feijão caupi desenvolvidas pela Embrapa Meio-Norte. Estas foram apresentadas em dezembro de 2004 aos agricultores familiares do município de Guaribas-PIdurante a realização do I Seminário Técnico da Embrapa na cidade piloto do programa Fome Zero (EMBRAPA, 2004). O valor econômico de uma cultivar depende de vários fatores, dentre eles: produtividade, taxa de maturidade, resistência a doenças, qualidade nutricional, tamanho da semente, cor, tempo de cozimento, flavor e textura do alimento cozido (SHIMELIS; RAKSHIT, 2005).

O guandu (Cajanus cajanL.), também conhecido popularmente na Bahiacomo andu, é consideradouma cultura familiar de pequenas proporções e consumido,principalmente, pelas populações da área rural na Região Nordeste (SILVA et al.,2010). Entretanto, no mundo, ocupa o sexto lugar em importância alimentar dentre as leguminosas, sendo usada extensivamente na Ásia para a alimentação animal e humana,e suas propriedades nutricionais e tecnológicas são objeto de estudo (CANNIATTI-BRAZACA et al., 1996; CANNIATTI-BRAZACA et al., 1998;CASAGRANDI et al. 1999;MARIN et al., 2004).

O grão de soja é considerado uma das mais importantes commodities agrícolas do mercado mundial. Segundo a Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB, 2005), o Brasil contribui com uma produção de 49,71 milhões de toneladas de soja (2004/2005), historicamente oscilando entre primeira e segunda posições no ranging mundial. Além da importância econômica, essa leguminosa dá origem a muitos produtos e subprodutos empregados na agroindústria, na indústria química e de alimentos. Vários produtos alimentícios industrializados (embutidos, chocolates, produtos de confeitaria e padaria, sopas, temperos para saladas, bebidas etc.) têm a soja ou os seus subprodutos como matéria-prima. Outro aspecto que têm despertado interesse é a reconhecida atuação desse grão como alimento funcional. A soja também tem sido empregada como fonte alternativa de combustível (ÁVILA et al., 2019).

1.1.1 Composição aproximada

A composição química aproximada de leguminosa tem sido