FISIOLOGIA DE PÓS COLHEITA DE GRÃOS

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1 Material de apoio para a Disciplina Fisiologia pós colheita de grãos do curso de pós graduação e especialização em Armazenamento de Grãos e a Segurança Alimentar 1) ESTRUTURA DOS GRÃOS 1.1 Introdução Prof a. Dr a. Carolina Maria Gaspar de Oliveira FISIOLOGIA DE PÓS COLHEITA DE GRÃOS Os grãos dos cereias são em sua essência as sementes, ou seja a parte da planta destinada a reprodução. Assim as características dos grãos estão relacionadas com sua função para a planta, que é a de perpetuar a espécie. São formados basicamente pelo tegumento (casca), embrião (cotilédone (s) + eixo embrionário) e um terceiro componente denominado endosperma (tecido de reserva) às vezes ausente. As características externas das sementes são também oriundas de certos detalhes estruturais do óvulo. Assim, a micrópila pode permanecer como um poro fechado. O funículo sofre abscisão, deixando uma cicatriz. O hilo é geralmente a parte da semente mais permeável à água. 1.2 Casca A casca (cobertura protetora) é a estrutura externa que delimita o grão. Pode ser constituída apenas pelo tegumento, porém, em certos casos como, em sementes-fruto, como o milho (cariopse) e o girassol (aquênio), há digestão das camadas integumentares e de outras camadas intermediárias durante a formação das sementes e estas são protegidas pelas paredes do fruto (pericarpo), fortemente aderidas aos vestígios tegumentares. O tegumento é formado por camadas celulares originárias dos tegumentos do óvulo, enquanto o pericarpo é originário da parede do ovário. Em algumas espécies, este pericarpo se desenvolve intimamente ligado ao tegumento, como ocorre em várias gramíneas. A integridade da cobertura externa geralmente representada pelo tegumento, desempenha funções fundamentais para a longevidade do grão. O conhecimento de suas características anatômicas e morfológicas permite explicar, estimar e inclusive direcionar práticas de manejo ou a programação de ações permanentes (via melhoramento genético) para favorecer o comportamento do grão diante de condições ambientais variadas. Funções da casca: a) Manter unidas as partes do grão; b) Proteção contra agentes externos de natureza climática, biótica (microorganismos, insetos, pássaros), mecânica (impactos abrasões) ou química (substâncias ou produtos de diversas naturezas); c) Regular a velocidade de hidratação/ dessecação do grão; d) Regular a velocidade de trocas gasosas entre o grão e o meio (oxigênio e gás carbônico); 1.3 Tecido de reserva O tecido de reserva das sementes é constituído pelo endosperma, pelos cotilédones e, em alguns casos, pelo perisperma. As substâncias acumuladas nestes tecidos fornecem ao eixo

2 embrionário, por ocasião da germinação, energia e material metabolizado para que ele se desenvolva em uma planta autotrófica. a) Endosperma O Endosperma, encontrado em quantidade variável nas sementes, resulta da fusão dos núcleos polares com um dos núcleos reprodutivos do grão de pólen. O tecido do endosperma é triplóide (3n), com duas partes maternas e uma paterna, tendo a função de fornecer proteção e suporte nutritivo para o desenvolvimento do embrião ou para a germinação, de modo que sua composição é compatível com as necessidades embrionárias. Em várias espécies de dicotiledôneas, o endosperma é constituído por pequenas quantidades de células, enquanto em outras, como as gramíneas, constitui um tecido de reserva facilmente reconhecido. A sua estrutura, depois de completamente desenvolvida, varia consideravelmente de espécie para espécie. Pode estar constituída por um tecido vacuolado e de membranas delgadas, sem substância de reserva. Neste caso o endosperma é utilizado parcial ou completamente para o desenvolvimento do embrião. Nas sementes que, quando maduras, praticamente não apresentam endosperma, como a maioria das dicotiledôneas, esse tecido não está claramente diferenciado pelo fato de ter sido praticamente consumido durante a embriogênese, sendo grande responsável pela nutrição do embrião em desenvolvimento. Nas sementes desse tipo, como as leguminosas, malváceas, crucíferas, cucurbitáceas, dentre outras, as reservas estão armazenadas nos cotilédones, ou seja, no próprio embrião. Nas espécies em que o endosperma é consumido apenas parcialmente na formação do embrião, o tecido endospermático remanescente vai ser consumido na transformação do eixo embrionário em plântula, durante a germinação. A longevidade do endosperma, o tipo e a quantidade de material armazenado no tecido variam nas diferentes espécies. Em muitas plantas pode ser bem reduzido, como em crucíferas, ou não se formar, como nas orquídeas, ou permanecer completamente líquido, como no Cocos nucifera. O material mais comumente armazenado é o amido, mas outros carboidratos, como polissacarídeos e hemiceluloses (ex: Coffea), bem como óleos e proteínas também fazem parte da constituição química do endosperma. O endosperma constituído de amido de algumas espécies parece não estar vivo ao atingir a maturidade, pois os núcleos se mostram degenerados, como ocorre, por exemplo, nas gramíneas, Polygonaceae, Cuperaceae e outros. Todavia, parece estar vivo nas Liliaceae, Amaryllidaceae, Viola, Ricinus e Daucus. Nas sementes dos cereais a camada de aleurona que se encontra na periferia do endosperma é viva. O amido aparece em forma de grãos; as hemiceluloses e os carboidratos afins encontram-se em membranas espessadas; as proteínas encontram-se sob duas formas principais, como glúten, de estrutura amorfa e como grãos de aleurona. O glúten é mais comum nas células que contém amido, como nas sementes dos cereais, enquanto os grãos de aleurona se encontram em todas as células do endosperma de Ricinus e na camada periferia do endosperma, denominada aleurona, que ocorre nas Polygonaceae e Graminae. O endosperma sem amido pode conter lipídios e proteínas. As sementes com endosperma são denominadas albuminosas (a maioria das monocotildôneas), enquanto as sem endosperma ou com apenas pequenas quantidades dele, constituem as sementes exalbuminosas, nas quais o embrião (cotilédone + eixo embrionário) é grande em relação ao tamanho da semente, ocupando a quase totalidade de seu volume. Nas sementes albuminosas ou endospermáticas, a relação entre o tamanho do embrião e do endosperma varia bastante. 2

3 b) Cotilédones Os cotilédones juntamente com o eixo embrionário, formam o embrião, que se desenvolveu a partir de um zigoto, originário da fusão da oosfera com um dos núcleos reprodutivos do grão de pólen. Os cotilédones podem armazenar reservas alimentares ou sintetiza-las. Algumas espécies apresentam cotilédones bem delgados, semelhantes a folhas, que não armazenam reservas, mas, após sua emergência do solo, tornam-se verdes e passa a realizar a fotossíntese, após se livrarem dos tegumentos da semente. Nos casos em que os cotilédones se apresentam como lâminas foliares, sua função parece ser apenas a de, durante a germinação, liberar enzimas específicas para o tecido endospermático, a fim de disponibilizar as substâncias de reserva ali armazenadas. Outras espécies, como a maioria das leguminosas, apresentam cotilédones volumosos que armazenam uma quantidade apreciável de reservas alimentares. A germinação e posterior emergência da plântula de sementes que apresentam este tipo de cotilédones pode ser epígea, quando os cotilédones saem acima do solo e passa a realizar fotossíntese limitada (ex: feijão, soja, amendoim) ou hipógea, quando os cotilédones permanecem no interior do solo (ex: ervilha). Sendo parte do embrião, o cotilédone é um tecido vivo, o que significa que é um tecido que dispõe de todo aparato enzimático necessário para promover a degradação e o transporte de suas próprias substâncias de reserva, visando nutrir o crescimento do eixo embrionário no processo de germinação. O tecido de reserva endospermático, ao contrário do cotiledonar, não possui um sistema autônomo de enzimas. O seu sistema enzimático, para poder desdobrar e transportar suas substâncias de reserva, necessita ser previamente ativado, o que se acredita, é feito por enzimas provenientes do eixo embrionário. 1.4) Eixo embrionário O eixo embrionário é a parte mais importante da semente, pois apresenta a capacidade de se desenvolver, graças à presença de tecido meristemático nas suas duas extremidades. Ao eixo embrionário se encontram unidos um ou dois cotilédones, que funcionam como tecido de reserva. O eixo embrionário normalmente é pequeno em relação às outras partes da semente, podendo atingir diferentes graus de diferenciação e tamanho, e apresentar-se com localização variada dentro da semente. Em geral o embrião maduro é formado por diferentes partes, sendo que a ocorrência e o grau de diferenciação de cada uma delas são característicos da espécie: Radícula: raiz rudimentar; Hipocótilo: região de transição vascular entre raiz e caule. Na maioria das dicotiledôneas, o hipocótilo é uma parte destacada do eixo embrionário, situando-se em posição inferior ao nó cotiledonar. Em várias monocotiledôneas, pode ser representado apenas por uma placa vascular com menos de 1mm, pouco diferenciada; Cotilédone (s): estruturas armazenadoras temporárias de reservas ou as primeiras folhas embrionárias, em dicotiledôneas exalbuminosas, ou uma estrutura de transferência de reservas e de proteção ao eixo embrionário em monocotiledôneas. Em gramíneas recebe o nome de escutelo; Plúmula: massa de células meristemáticas, constituindo a gema apical ou broto vegetativo do embrião, acompanhada ou não pelo desenvolvimento dos primórdios foliares. A partir da plúmula se desenvolvem os primórdios foliares, o epicótilo, o caule e as folhas da planta; 3

4 Epicótilo: presente na plúmula, em forma meristemática, situando-se acima do nó cotiledonar, é bem desenvolvido em várias dicotiledôneas; Mesocótilo: primeiro nó do epicótilo (na semente, uma camada pouco espessa de tecido), característico de cariopses de gramíneas; Epiblasto: pequena excrescência no lado oposto ao escutelo (é o vestígio do segundo cotilédone em gramíneas); Coleorriza: camada de tecido formando uma capa protetora da radícula, em várias gramíneas; Raízes adventícias seminais: surgem do nó cotiledonar em sementes de gramíneas; Coleóptilo: parte do cotilédone que protege a plúmula em gramíneas; é fotossensível, tendo crescimento paralisado quando exposto à luz, apresenta um poro apical, de modo que a plúmula pode rompe-lo e continuar seu desenvolvimento. 2) COMPOSIÇÃO QUIÍMICA DOS GRÃOS A composição química dos grãos é definida geneticamente, e pode ser, até certo ponto, influenciada pelas condições ambientais. Existem dois grupos de componentes químicos: os que ocorrem normalmente como constituintes em todos os tecidos da planta; e os que são matéria de reserva (interesse econômico). 2.1) Importância O conhecimento da composição química dos grãos é fundamental para o estabelecimento de diretrizes visando sua utilização como fonte de alimentos e matéria-prima. Além disso, essas informações direcionam as práticas de manejo pré e pós-colheita: - Potencial de armazenamento - Secagem artificial - Métodos de colheita - Tolerância à dessecação e seus efeitos - Gasto de energia das plantas para produzir os grãos (adubação planta) 2.2) Substâncias armazenadas nos grãos De um modo geral, os carboidratos, a proteínas e os lipídeos são as principais substâncias de reserva, mas as proporções de cada um desses componentes variam de acordo com a espécie e também com a cultivar. Estão principalmente no endosperma ou nos cotilédones, de acordo com a espécie. Assim de acordo com o tipo de reservas predominantes pode-se classificar em: Amiláceas (ex: milho, trigo, arroz) Aleuro-amiláceas (ex: feijão) Aleuro-oleaginosas (ex: soja) Oleaginosas (ex: amendoim, girassol) Córneas (ex: café, palmeira, tremoço) a) Carboidratos Constituem as principais substancias armazenadas nos grãos da maioria das espécies cultivadas. Contem hidrogênio na mesma proporção que a água, apresentando a fórmula geral (CH 2O). 4

5 Podem ser divididos em três grandes grupos: monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. A diferença está no número de ligação de hidratos de carbono. Polissacarídeos : Moléculas grandes, formadas pela junção de vários monossacarídeos; tem fórmula geral (C 6H 10O 5)n e são representados pelo amido, hemicelulose e celulose. Amido Metabolicamente inativo; Principal CHO dos cereais Formado a partir de açúcares, depositado em amiloplastos; Número de grãos de amido / amiloplasto varia de acordo com a espécie Armazenado principalmente na forma de amilose e amilopectina. Monossacarídeos: são carboidratos simples, como glicose, frutose, galactose. Oligossacarídeos: são carboidratos formados pela conexão de dois a dez monossacarídeos que se separam por hidrólise. Exemplos sacarose, lactose, maltose. b) Lipídios Encontrados em todas as partes da semente, ocorrendo em maior porcentagem nos cotilédones e endosperma. Geralmente estão na forma de glicerídeos (triglicerídios: 1 molécula de glicerol + 3 de ácidos graxos). Os lipídios são insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos. O teor de óleo das sementes pode variar em função das características genética e em função do meio ambiente. Entre os compostos de reserva os lipídios são os principais alvos do processo de deterioração pós-maturidade, de modo que a manutenção da sua integridade beneficia o desempenho das sementes e qualidade dos grãos. c) Proteínas As proteínas são os componentes básicos das células; são polímeros de aminoácidos sintetizados biologicamente na célula e funcionam como enzimas, componentes estruturais e materiais de reserva. Encontradas em maior quantidade no embrião, e tem a função de prover o nitrogênio para o embrião durante a germinação e para a plântula, em seu estágio inicial de desenvolvimento. 2.3) Fatores que afetam a composição química 1. Genótipo 2. Posição da semente em relação à inflorescência ou ao fruto 3. Condições climáticas 4. Estádio maturação 5. Idade (período após a colheita) 6. Fertilidade do solo e nutrição da planta mãe 7. Práticas culturais 2.4) Composição química e conservação dos grãos a) Equilíbrio higroscópico: O armazenamento dos grãos com grau de umidade superior ao considerado seguro pode incentivar o processo respiratório das células, a mobilização de reservas e liberação de energia, acelerando a deterioração. Assim, o conhecimento do ponto de equilíbrio higroscópico também permite identificar se as condições do depósito são convenientes para o armazenamento de grãos de determinada espécie 5

6 b) Potencial de armazenamento: Estabilidade química lipídios e do amido é diferente, pois a temperatura necessária para a degradação do amido é mais elevada que a responsável pelos mesmos efeitos em oleaginosas. Nessas uma elevação moderada da temperatura, como consequência do processo respiratório, é suficiente para a decomposição dos lipídios e elevação da taxa de deterioração; por esse motivo, as sementes oleaginosas devem ser armazenadas com grau de umidade inferior ao recomendado para as amiláceas. O teor elevado de proteínas também pode contribuir para a redução do potencial de armazenamento, devido à elevada afinidade dessa substância com a água. 3) FISIOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO E DA MATURAÇÃO DOS GRÃOS A indução do florescimento e a diferenciação dos primórdios florais são os pontos de partida para o desenvolvimento da semente/grão. Vale deixar claro que o agronegócio compra os grãos, mas para a planta ela está produzindo as sementes, assim como este texto trata sobre a fisiologia da planta, vamos utilizar neste momento o termo semente. A qualidade inicial e o desempenho da semente podem ser influenciados por processos fisiológicos que ocorrem durante os estádios de crescimento da planta, preferencialmente após a indução floral. 3.1) Desenvolvimento do grão O processo de desenvolvimento ou maturação é controlado geneticamente, e compreende um conjunto de etapas sucessivas desde a fertilização do óvulo até a maturidade, as quais podem ser divididas em quatro fases. As fases I e II compreendem a divisão e expansão (alongamento) celular; a Fase III é caracterizada pelo acúmulo de reservas e o aumento progressivo da massa de matéria seca das sementes. Em seguida, no final do processo de transferência de matéria seca, intensifica-se a desidratação das sementes (Fase IV). A maturidade pode ser caracterizada pela paralisação do metabolismo, ou no mínimo, sua redução a um nível menos perceptível, resultante principalmente pela desidratação. As principais alterações no processo de desenvolvimento do óvulo consideradas em pesquisa sobre a maturação, sob a ótica da tecnologia de sementes, são as seguintes: - Tamanho As primeiras etapas da embriogênese compreendem intensa divisão celular e sua expansão; essas ocorrências determinam aumento progressivo do tamanho da semente em formação, atingindo o máximo aproximadamente na metade do período de acúmulo de matéria seca. Em seguida pode haver redução em função da desidratação das sementes. - Grau de umidade O teor de água do óvulo recém-fecundado é de, no mínimo, 80% (base úmida), tanto para as mono como para as dicotiledôneas. Esse valor decresce durante o processo de maturação, embora permaneça relativamente elevado durante todo esse período, pois a transferência de matéria seca da planta para as sementes deve ocorrer em meio líquido. A fase inicial de desidratação é lenta, enquanto as sementes acumulam reservas. A perda de água ocorre mesmo sob períodos chuvosos, de modo que a influência do ambiente afeta apenas a rapidez desse processo. A desidratação é acelerada quando as sementes atingem a máxima massa de matéria seca, e segue até que as sementes atinjam o ponto de 6

7 equilíbrio com o ambiente. A partir daí, sofrem variações, acompanhando as alterações da umidade relativa ambiente. A desidratação é mais rápida após atingir a máxima massa de matéria seca porque, a partir desse momento, as sementes são desconectadas do sistema vascular da planta. A velocidade de desidratação também depende das características da espécie; por exemplo, no milho, a presença de palha e a proximidade das sementes na espiga impõem maiores restrições à difusão da água para a atmosfera que em sementes de soja e de trigo. - Massa de matéria seca O início do desenvolvimento das sementes é caracterizado pelo acúmulo lento de matéria seca, pois nessa fase predominam a divisão e a expansão celulares. Após essa etapa, o fluxo de matéria seca é intensificado até atingir o máximo; nesse momento considera-se que as sementes desligam-se fisiologicamente da planta-mãe. O período de manutenção desses níveis elevados de matéria seca depende diretamente da influência do ambiente, pois condições menos favoráveis de umidade relativa, temperatura e ação de insetos e microorganismos geralmente contribuem para a aceleração do processo respiratório e a consequente oxidação de substâncias de reserva, com redução do peso das sementes. 3.2) Maturação 3.2.1) Germinação durante a maturação Após atingir a maturidade fisiológica a semente está com máxima germinação e vigor, entretanto muito antes disso o embrião já está formado e tem potencial para germinar, mas isso não ocorre pois existem fitormônios atuando como inibidores da germinação, entre eles destaca-se o ácido abscísico (ABA). Existem sementes que a dormência é induzida logo após elas terem atingido um determinado estádio; visando, aparentemente, evitar que germinem no próprio fruto. Essa característica é eliminada com o início da fase de desidratação. O outro tipo de sementes ocorre nas espécies cujas sementes adquirem a capacidade de germinação somente após um período relativamente longo. Como neste ponto o decréscimo no teor de água já está se processando de modo cada vez mais acentuado, a capacidade de germinação cresce de maneira ininterrupta até um ponto máximo, já que a probabilidade de que as sementes germinem no próprio fruto é bem menor. Entretanto a germinação pode ocorrer no próprio fruto se a ocorrência de chuvas elevar o teor de água das sementes até os níveis críticos para que a germinação se processe ) Determinação da maturidade fisiológica A maturidade fisiológica identifica o momento em que cessa a transferência da matéria seca da planta para as sementes; nessa ocasião, apresentam potencial fisiológico elevado, senão máximo. Diante desse fato, seria extremamente natural a decisão de efetuar a colheita dos campos de produção de sementes quando a população de plantas atingisse a máxima maturidade fisiológica. Entretanto, para algumas espécies, como a soja, as sementes atingem a máxima massa de matéria seca quando o teor de água é de aproximadamente 50%, inviabilizando a colheita nessa fase. Além disso, em produtos com elevada umidade há atividade metabólica mais intensa, sendo propício o desenvolvimento de fungos e insetos e deterioração rápida. O processo de secagem possibilita colheitas antecipadas, evitando-se danos no campo devido às condições climáticas, ataques de insetos e microrganismos. Neste sentido, a alternância de períodos secos e úmidos, associada a altas temperaturas na fase final do processo de maturação, predispõe a ocorrência de danos ao tegumento da semente, como consequência de expansões e contrações após uma série de ciclos de umedecimento e 7

8 secagem. Primeiramente, ocorrerá o enrugamento do tegumento; se houver continuidade daquelas condições desfavoráveis, acontecerá a ruptura. Esta situação é bastante comum na produção de sementes de soja. O atraso da colheita, a partir do ponto em que as sementes tornam-se independentes da planta-mãe, acarreta sérios inconvenientes, determinados pela exposição relativamente prolongada das sementes a condições menos favoráveis do ambiente. Influência do Ambiente A influência do ambiente sobre o desenvolvimento da semente é traduzida principalmente por variações no tamanho, peso, potencial fisiológico e sanidade. - Fertilidade do solo: plantas nutridas produzem sementes maiores e mais pesadas. - Disponibilidade de água: A deficiência hídrica afeta o metabolismo e prejudica o crescimento das plantas. Há redução da área foliar, da taxa fotossintética, acarretando menor suprimento de assimilados e abortamento ou redução do desenvolvimento das sementes. Assim, pode ocorrer maturação precoce, menor tamanho das sementes, e redução do número de sementes. Em sementes de soja a deficiência hídrica durante o período de enchimento das vagens provoca redução acentuada no rendimento em virtude da formação de sementes menores, mais leves, e dependendo do cultivar, enrugadas e deformadas. - Temperatura: temperaturas elevadas também diminuem a taxa fotossintética. Em soja as temperaturas elevadas são consideradas as principais responsáveis pela maturação forçada, provocando a translocação muito rápida das reservas, impedindo a destruição completa da clorofila e provocando a formação de sementes esverdeadas. - Luminosidade relacionado a abortamento e formação de flores. 4) RELAÇÕES AGUA E GRÃOS Os grãos são organismos vivos e apesar de parecerem secos, possuem moléculas de água em seu interior, as quais estão ligadas a outras moléculas formando por exemplo as proteínas e os carboidratos. A quantidade de água presente nos grãos (teor de água) vai influenciar diretamente a conservação da qualidade desses grãos, pois a partir de 14 a 16% de água, dependendo da temperatura, ocorre um acentuado aumento na intensidade respiratória dos grãos, resultando em deterioração dos mesmos. O conhecimento das relações água e grãos irá auxiliar na condução e na tomada de decisões durante as etapas de armazenamento, secagem e beneficiamento dos grãos. Diante desse contexto é importante observar que o teor de água dos grãos/sementes determina o seu nível de atividade metabólica, sendo assim: > 40-60% protrusão da radícula Entre 18-20% e 40-60% a respiração das sementes, dos microorganismos e dos insetos é elevada (aquecimento) Entre 12-14% e 18-20% respiração ativa, pode ocorrer desenvolvimento de microrganismos, principalmente nos grãos danificados mecanicamente e pelos insetos. Ao se reduzir o teor de água do grão para 8-9%, a atividade de insetos torna-se nula. Teor de água: O teor de água no grão é baseado na relação da massa da matéria úmida e a massa da matéria seca. Ou seja, quando o grão perde água ele também perde peso, por isso a importância de saber a umidade dos grãos antes do pagamento da carga. Determinado pesando-se a amostra de grãos úmidos (massa da matéria úmida) e após a secagem (massa da matéria seca): TA = Pu-Ps/Pu.100 (%) 8

9 4.1) Propriedades da água: A água tem uma estrutura molecular simples. Ela é composta de um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. Cada átomo de hidrogênio liga-se covalentemente ao átomo de oxigênio, compartilhando com ele um par de elétrons. O oxigênio também tem um par de elétrons não compartilhados. Assim, há 4 pares de elétrons em torno do átomo de oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes com o hidrogênio e dois pares nãocompartilhados no outro lado do átomo de oxigênio. A água é uma molécula "polar", o que quer dizer que ela tem uma distribuição desigual da densidade de elétrons. Ela tem uma carga negativa parcial junto ao átomo de oxigênio por causa dos pares de elétrons não compartilhados, e tem cargas positivas parciais junto aos átomos de hidrogênio. A atração eletrostática entre as cargas positivas parciais dos átomos de hidrogênio e a carga negativa parcial do átomo de oxigênio resulta na formação de uma ligação denominada "ponte" de hidrogênio. Tais ligações permitem a união entre as moléculas de água. Uma das propriedades mais importantes da água líquida é a sua capacidade de dissolver substâncias polares ou iônicas para formar soluções aquosas. A interação entre as moléculas do solvente (água) e as do soluto são responsáveis pelo processo de solubilização: cada íon negativo, situado no interior de uma solução aquosa, atrai as extremidades positivas das moléculas de água vizinhas, o mesmo acontecendo com os íons positivos relativamente às extremidades negativas. Isso faz com que os íons fiquem como que recobertos por uma camada de moléculas de água solidamente ligadas a eles, o que confere grande estabilidade à solução 4.2) Potencial hídrico: A água na semente pode ser caracterizada por um estado de energia, ou seja, ao invés de simplesmente falar quanto de água tem na semente/grão; considera-se a capacidade dessa água para realizar um trabalho; ou energia livre dessa água. A quantidade de água no grão disponível para realizar trabalho é o seu potencial hídrico, e é expresso em unidades de medida de pressão. O conhecimento do potencial hídrico permite verificar até que ponto um sistema está ou não em equilíbrio e estabelecer uma estimativa da possibilidade de movimentação da água entre dois sistemas. Baseado no potencial hídrico e no modo de ligação da água com as macromoléculas, é possível verificar 5 tipos de água nas sementes/grãos: O tipo 1 caracteriza a água ligada quimicamente por grupos iônicos, sendo importante para a manutenção da integridade estrutural das macromoléculas (água estrutural). Ocorre em teores de água, expressos em base úmida, inferiores a 7,5% (Y < -150MPa), sendo observadas pequena atividade enzimática e aceleração da deterioração pela desestabilização da estrutura protéica, acúmulo de subprodutos do metabolismo (radical livre), peroxidação de lipídios e perda de função da membrana celular, causada pelas transições de fase e/ou segregação de vários componentes de seus constituintes. A água tipo 2 interage com sítios hidrofílicos da proteína e apresenta características do estado vítreo. O teor de água está compreendido entre 7,5% (-150MPa) e 20% (-11MPa) e verifica-se a ocorrência de determinadas reações catabólicas sob a ação de enzimas. Há também a considerar o acentuado aumento na intensidade respiratória de sementes ortodoxas, sobretudo a partir de 14 a 16% de água, dependendo da temperatura. A água ligada, constituída pelos tipos 1 e 2, em princípio, não sofre solidificação, em razão da formação dos estados vítreos, em temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água pura. 9

10 A água tipo 3, com capacidade para umedecer as macromoléculas, forma pontes com sítios hidrofóbicos de macromoléculas, sendo observada entre teores de água de 20% (- 11MPa) e 33% (-4MPa). Nos teores correspondentes à água tipo 3 ocorrem atividades catabólicas significativas, havendo consumo de substâncias de reserva e produção de toxinas (radicais livres). É importante destacar que os teores de água relativos aos tipos 1, 2 e 3 de água são afetadas pela composição química da semente e temperatura, entre outros fatores. A água tipo 4 apresenta propriedades similares a uma solução concentrada de água e pode ser identificada pela baixa temperatura de solidificação. Sua ocorrência verifica-se entre teores de água de 33% (-4MPa) e 41% (-1,5MPa), ocupando, possivelmente, poros ou capilares e não interagindo diretamente com a superfície das proteínas. Neste nível de hidratação ocorrem determinados processos de biossíntese, necessários à germinação, como a síntese protéica. A água tipo 5 tem comportamento semelhante a uma solução diluída de água e pode ser considerada água livre. Sua ocorrência é observada em teores de água superiores a 41% (> -1,5MPa). O estado da água afeta a natureza e a cinética das reações metabólicas, levando a crer que os mecanismos da deterioração de sementes diferem para cada nível de hidratação da semente durante o armazenamento. 4.3) Perda/Ganho de água pelo grão: A higroscopicidade se refere à capacidade de retenção de água, característica de cada substância, com destaque para as proteínas, que apresentam alta afinidade com a água e são consideradas hidrófilas. Nos lipídios, o número de pontos de ligação com a água é muito menor e a associação se efetua praticamente apenas por pontes de hidrogênio, fazendo com que sejam considerados hidrófobos. Consequentemente, a composição química afeta a capacidade de captação e liberação de água pelas sementes. O ar atmosférico é composto basicamente por gases e vapor d agua. Este, apesar de presente em proporção relativamente pequena, tem grande influência no comportamento fisiológico da semente, representando o componente atmosférico diretamente relacionado ao teor de água das sementes. A quantidade de vapor d agua presente no ar varia de acordo com a temperatura; quando essa quantidade atinge a máxima que pode conter, o ar encontra-se saturado e atinge a umidade de saturação (ponto de orvalho) ou 100% de umidade relativa. No entanto, geralmente o ar não está saturado e contém apenas uma fração da máxima possível. Assim, a umidade relativa expressa a relação entre a quantidade de vapor d agua realmente existente no ar e quantidade máxima que pode conter, a uma determinada temperatura. Portanto, se a umidade relativa é de 65%, isto significa que o ar contém, naquele momento, 65% da quantidade máxima de vapor d agua que pode comportar, sob temperatura especificada. A umidade de saturação é constante sob uma temperatura determinada e, à medida que a temperatura se eleva, o ar aumenta sua capacidade de contenção de água, praticamente duplicando para cada acréscimo de 10 o C. Portanto, o aquecimento sem alteração na quantidade de água presente no ar promove queda na umidade relativa, ocorrendo o inverso quando há redução da temperatura. A água contida na semente pode se encontrara no estado líquido ou de vapor, quando está na fase gasosa, exerce pressão de vapor, cujo valor é diretamente proporcional à quantidade de água existente na semente e corresponde a um determinado potencial hídrico. O teor de água da semente é função direta da umidade relativa do ar. A semente e a atmosfera são dois sistemas que se encontram em permanente troca de água, com sentindo de movimentação estabelecido pela diferença entre os potenciais hídricos de ambos. A 10

11 predominância de fluxo dirige-se do sistema com maior para o de menor potencial, até que seja atingido o equilíbrio energético da água entre as sementes e o ar. Essas trocas de água dependem da intensidade da pressão de vapor d agua atmosférico e da pressão de vapor d agua da semente. Quando há diferença entre essas pressões, estabelece-se um gradiente, gerando um fluxo de movimentação do vapor d agua. A semente tem seu teor de água elevado quando a pressão de vapor é inferior à do vapor d agua presente no ar (adsorção); cede água ao ar (dessorção) quando sua pressão de vapor supera a do ar. O equilíbrio dinâmico é alcançado quando a quantidade de água cedida se iguala à captada, sendo atingido o ponto de equilíbrio higroscópico, que corresponde ao teor de água da semente em equilíbrio com determinada umidade relativa do ar, sob temperatura específica; nesse ponto, as pressões de vapor d agua do ar e da semente praticamente se igualam. O teor de água correspondente ao ponto de equilíbrio aumenta com a elevação da umidade relativa do ar e vice-versa. As sementes com teor elevado de lipídios apresentam grau de umidade inferior ao das amiláceas sob mesma umidade relativa do ar, pelos motivos já expostos. O conhecimento do ponto de equilíbrio higroscópico permite estabelecer bases para a secagem artificial, a embalagem e o armazenamento de sementes. É afetado por vários fatores, dentre eles a proporção entre as reservas acumuladas pelas sementes; a umidade relativa e a temperatura do ar, a permeabilidade do tegumento; a integridade física das sementes, que quando injuriadas mecânica ou fisicamente, apresentam ponto de equilíbrio higroscópico mais elevado que as intactas. Tempo necessário para atingir o equilíbrio higroscópico dos grãos: Uma pequena camada de grãos, exposta à atmosfera, entra em equilíbrio com a umidade relativa do ar dentro de um período relativamente curto. Entretanto, um grande volume de grãos com desníveis de umidade levará um período muito longo para ficar uniforme em seu teor de umidade. Uma massa de grãos depositada em um silo, apresenta normalmente, desníveis de temperatura. As camadas de grãos que se encontram próximas das paredes dos silos e na superfície, adquirem uma temperatura mais alta ou mais baixa, pois, as estruturas de armazenamento, concreto ou metálica, são afetadas pela temperatura externa. Os gradientes de temperatura no interior de silos causam correntes convectivas de ar que transferem umidade de uma parte do silo a outra. Durante os períodos frios a umidade é deslocada dos grãos quentes, localizados no centro do silo, para a superfície onde os grãos estão a temperaturas mais baixas. Durante os períodos quentes há uma inversão do processo e a região mais crítica passa a ser o fundo do silo. Estes acúmulos localizados de umidade podem proporcionar condições favoráveis para o desenvolvimento de organismos responsáveis por deterioração. 5. RESPIRAÇÃO E METABOLISMO DA DETERIORAÇÃO DE GRÃOS 5.1) RESPIRAÇÃO DOS GRÃOS A respiração dos grãos é a principal responsável pela rápida deterioração dos grãos armazenados. Os grãos depois de colhidos apresentam baixa atividade metabólica, mas ainda estão vivos, e, por isso, respiram. 11

12 A respiração é um processo metabólico contínuo, dependente das condições do ambiente, no qual ocorre consumo de reservas para a produção de gás carbônico, água e energia. Em uma massa de grãos a respiração pode ser aeróbia ou anaeróbica. A respiração aeróbia ocorre na presença de oxigênio, sendo realizada a oxidação da glicose, pela equação: C 6H 12O O 2 6CO H 2O + 667,2kcal. Em condições anaeróbias o aceptor final de hidrogênio não é o oxigênio, mas um radical orgânico, resultando da respiração também o gás carbônico, o calor e uma substância orgânica como o álcool etílico, ao invés de água como em aerobiose. Nesse caso, o oxigênio utilizado provém do próprio grão, num fenômeno de intra-oxidação, característico das fermentações. Dependendo do substrato e do sistema enzimático envolvido, ao invés de etanol podem ser produzidas outras substâncias como ácidos orgânicos de baixo peso molecular, aldeídos, cetonas, bases nitrogenadas, aminas, amidas e outras, sendo perceptíveis odores característicos. Esse processo libera menos calor do que o aeróbio. A reação anaeróbia pode se sintetizada com a equação: C 6H 12O 6 2CO 2 + 2C 2H 5OH + 22kcal. A respiração é processo fortemente relacionado com a deterioração. Enquanto vivos e em condições aeróbias, os grãos respiram, consumindo reservas, sejam essas como carboidratos, lipídeos, proteínas e/ou ácidos orgânicos. Consequentemente, há a liberação de água, gás carbônico e energia (sob a forma de calor). Grãos deteriorados apresentam maior quociente respiratório (CO 2 liberado/o 2 absorvido), ou seja, maior liberação de CO 2 com menor absorção de O 2, assim como maior desorganização do processo respiratório. 5.2) FATORES QUE INTERFEREM NA RESPIRAÇÃO a) Umidade: O teor de umidade é considerado o fator mais importante no controle do processo de deterioração de grãos armazenados. Se a umidade puder ser mantida a níveis baixos, os demais fatores terão seus efeitos diminuídos significativamente. Sob baixos teores da umidade, a intensidade é baixa. Isto é explicado pelo fato de que o metabolismo dos grãos está com pouca atividade. Se a umidade se eleva, a respiração se acelera, pois a presença de água desperta o metabolismo, aumentando os processos de difusão. Grãos armazenados com umidade entre 11 e 13% têm discreta respiração, mas, se a umidade aumentar, a respiração se acelera. Pelo caráter hidrófobo das gorduras, os grãos oleaginosos devem ser mantidos umidades menores. b) Temperatura Quanto mais a temperatura se elevar, maior será o risco de deterioração, pois o aumento da temperatura acelera a velocidades das reações, incluindo a respiração. Sendo que quanto maior a temperatura, maior a geração de calor, aumentando a temperatura da massa de grãos e acelerando a deterioração. O aquecimento secundário ocorre mais em grãos oleaginosos do que em outros, em função do alto teor de óleo, que tem moléculas quimicamente instáveis, por serem ésteres e contarem com cadeias insaturadas nos ácidos orgânicos, fatores que lhes conferem grande 12

13 reatividade. Quanto menores forem os grãos, mais gorduras tiverem em sua composição e mais danificados estiverem, maiores serão as probabilidades de ocorrer autocombustão. Termometria e aeração são importantes aliadas nesse caso. c) Organismos associados (estado sanitário) Parte significativa do calor e do gás carbônico, produzidos na respiração de grãos úmidos, é atribuída ao metabolismo de microrganismos presentes. A exigência em umidade para o desenvolvimento é crescente para fungos e bactérias, nesta ordem. Também o metabolismo de insetos e/ou de ácaros pode exercer importante papel no aumento da temperatura dos grãos no armazenamento. Enquanto os microrganismos tendem à produção de aquecimento generalizado em toda a massa, os insetos e os ácaros o fazem em focos, formando bolsas de calor. Em qualquer sistema de armazenamento, no mínimo, estarão juntos grãos, ar e microrganismos. Os grãos são organismos armazenados vivos. Em conseqüência, respiram, produzindo água, calor e gás carbônico, da mesma forma que ocorre com os organismos associados, iniciando-se uma série de reações e fenômenos seqüenciais. O aquecimento produzido pelo processo respiratório dos grãos, associado aos dos microrganismos, insetos e ácaros, provoca alterações nas dinâmicas metabólicas, que em geral começam com o metabolismo dos grãos, acumulando calor e água, o que estimula, inicialmente, desenvolvimento de microrganismos, e posteriormente de insetos e ácaros. Todos esses processos consomem reservas e liberam calor e água, gerando fenômenos de autoaceleração, uma vez que os produtos das reações são aceleradores delas próprias. d) Composição do ar ambiente As taxas de CO 2 e O 2 interferem no processo respiratório dos grãos. É mais difícil ao ar circular entre os grãos armazenados a granel do que num armazém de sacarias. Por essa razão, sempre que o armazenamento for a granel, é imprescindível a instalação de um adequado sistema de aeração, complementado pelo sistema de termometria. Em circulação natural o ar não atravessa a massa de grãos de modo a resfriá-la convenientemente, só através de aeração forçada, diferentemente do que ocorre nos sistemas convencionais de armazenamento, onde natural deve ser facilitada a circulação do ar por convecção, através da instalação de portas e janelas amplas e devidamente protegidas para não facilitar a entrada de animais e nem a infestação de pragas. Além de o grão se conservar menos, perde mais peso se o processo respiratório for intenso. 5.3) METABOLISMO DA DETERIORAÇÃO DE GRÃOS A deterioração dos grãos é um processo irreversível e depende da temperatura, das variações no teor de água e do ataque de pragas e microrganismos, e pode ser apenas atenuada por adequados controles nos manejos de conservação. O processo de deterioração inicia-se na maturidade fisiológica, e pode ser acelerado ou reduzido de acordo com as condições de manejo. Assim, todos os fatores que afetam as características físicas, químicas, fisiológicas e sanidade dos grãos interferem na deterioração. Fisiologicamente, a deterioração determina o desequilíbrio funcional de tecidos ativos de todos os organismos vivos, provocando a inativação progressiva do metabolismo e culminando com a morte. Inicialmente as membranas perdem a permeabilidade seletiva, as enzimas tornam-se menos eficientes para exercer sua atividade catalítica e os cromossomos podem acumular mutações; também tem sido destacada a decomposição de reservas durante o envelhecimento, ocorrendo, ainda, o acúmulo de produtos tóxicos, como o etanol e de aldeídos (resultado da respiração anaeróbica e da peroxidação de lipídios), de ácidos graxos de 13

14 cadeias curtas e de compostos fenólicos (também produtos secundários da peroxidação de lipídios). Esses eventos dependem da espécie, por exemplo a peroxidação de lipídios é evidente em soja, mas é secundário em cereais, embora estes apresentem lipídios armazenados no embrião; nesses grãos, o acumulo de substancias indesejáveis, como os açúcares redutores, apresenta efeitos pronunciados. 5.2) ALTERAÇÕES NO METABOLISMO DE RESERVAS Carboidratos: Durante a deterioração, ocorre decréscimo no conteúdo de açúcares solúveis, no teor de açúcares totais e acréscimos nos níveis de açúcares redutores. Lipídios: As principais alterações em lipídios durante a deterioração são devidas à hidrólise enzimática, à peroxidação e à autoxidação. Como resultado, não há apenas a destruição dos lipídios, mas a ocorrência de uma série de reações que originam produtos potencialmente tóxicos. Um radical livre é um átomo ou grupo de átomos com um elétron não-pareado, produzido por autoxidação ou via enzimas oxidativas. As cadeias de ácidos graxos oxidam-se espontaneamente, produzindo radicais livres altamente reativos, conhecidos por hidroperóxidos, e uma grande variedade de produtos intermediários; os hidroperóxidos de ácidos graxos são convertidos em outros radicais livres, que se decompõem liberando aldeídos, ácidos, álcoois e cetonas, a maioria volátil. Proteínas: Enquanto a peroxidação de lipídios pode ser considerada a principal causa da deterioração das sementes, as reações Amadori e Maillard, durante o envelhecimento, conduzem à formação de produtos semelhantes, com ações prejudiciais à atuação das proteínas, principalmente durante a deterioração de sementes armazenadas. A reação Amadori envolve o ataque não-enzimático dos açúcares redutores aos grupo amino das proteínas, formando derivados de frutosil ou proteínas glicolisadas. A reação Maillard é um mecanismo que provoca o escurecimento do tegumento, mediante complexa interação subsequente entre produtos Amadori para formar pigmentos de coloração marrom (meloidina); as reações Amadori e Maillard se intensificam em sementes com baixos teores de água e com níveis elevados de açúcares redutores. Alterações na coloração do tegumento, usadas para caracterizar a deterioração de sementes de leguminosas e de outras famílias durante o armazenamento, podem ser provocadas pela polimerização de taninos solúveis; a produção de aldeídos voláteis também está associada aos produtos da reação Maillard, que aumentam acentuadamente durante o armazenamento. Desta maneira, podem ser destacados os seguintes eventos relacionados a alterações em proteínas durante a deterioração: decréscimo do teor de proteínas; decréscimo da síntese de proteínas; acréscimo do teor de aminoácidos, decréscimo do conteúdo de proteínas solúveis; desnaturação provocada por temperaturas elevadas, determinando a perda da habilidade de desempenhar suas funções. 5.3 FATORES QUE AFETAM E VELOCIDADE E A INTENSIDADE DE DETERIORAÇÃO Em condições ambientais favoráveis à atividade metabólica dos grãos (alta umidade e alta temperatura), o fenômeno da respiração é o principal responsável pela rápida deterioração de grãos armazenados. Outros fatores são: a. Umidade: é um fator importante, pois abaixo de 13% o grão pode ser armazenado por muitos anos com pequena deterioração. 14

15 b. Temperatura: em baixas temperaturas há redução do metabolismo e, consequentemente, melhoria da conservação do grão. c. Aeração: o processo de aeração na massa de grãos permite a renovação do ar e pode reduzir a temperatura e a umidade do grão. d. Condição inicial do grão: condições climáticas na maturação, atraso na colheita, método de colheita, secagem e beneficiamento mal planejados, podem levar a obtenção de grãos que já chegam no armazém com uma qualidade baixa, em início de deterioração (danos latentes), com uma maior taxa de respiração. Além disso, grãos danificados podem hospedar maior número de esporos de fungos e de bactérias, fazendo com que a respiração seja mais rápida do que em grãos inteiros. e. Genótipo: A influência do genótipo está associada à ação de todos os fatores determinantes da deterioração. Por exemplo, sementes oleaginosas são mais propensas ao envelhecimento que as amiláceas, havendo, inclusive, diferenças ente cultivares. A estrutura do tegumento determina maior ou menor tolerância a injurias mecânicas e também permite o controle mais rigoroso das trocas de vapor d agua entre a semente e o ar atmosférico. f. Sanidade: Grãos contaminados se deterioram mais rapidamente do que os sadios. 15