UTILIZAÇÃO DA METODOLOGIA DE SUPERFÍCIE DE RESPOSTA NA HIDRÓLISE DO BAGAÇO DE JABUTICABA

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1 UTILIZAÇÃO DA METODOLOGIA DE SUPERFÍCIE DE RESPOSTA NA HIDRÓLISE DO BAGAÇO DE JABUTICABA Janaína Kimura Galbiati 1 ; Diego Palmiro Ramirez Ascheri 2 1 Voluntária Iniciação Científica PVIC/UEG 2 Pesquisador Orientador RESUMO Considerando que o processo de hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos para a obtenção de produtos de maior valor agregado é influenciado por diversas variáveis, o ácido, a temperatura e o tempo são variáveis utilizadas para aumentar a quantidade de hidrolisado, diminuindo a formação de compostos de degradação. A Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) é utilizada no planejamento de experimentos e otimização de processos. Esta metodologia é útil na determinação da influência de uma ou mais variáveis sobre outra variável de interesse, obtendo-se um modelo matemático. O objetivo deste trabalho foi encontrar um modelo matemático para descrever o efeito do ácido, da temperatura e do tempo de reação na hidrólise do bagaço de jabuticaba. Foi utilizado um planejamento fatorial estrela 2 3 com 5 pontos centrais e 6 axiais. A quantidade de substâncias redutoras totais (SRT) estudada foi quantificada espectrofotometricamente a 540 nm. Todas as variáveis contribuíram intensivamente no ajuste do modelo quadrático explicando a presença de um ponto ótimo na produção de SRT estabelecida no ponto central do planejamento. Com este trabalho, foi possível verificar a utilidade da MSR na hidrólise do bagaço de jabuticaba e se comprovou a importância das variáveis independentes na formação de compostos de degradação. Palavras-chaves: Frutas tropicais, Metodologia de Superfície de Resposta, hidrólise ácida. INTRODUÇÃO Segundo o MINISTÉRIO DE AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO (2002), a produção de jabuticaba de 1996 foi de ,31 toneladas gerando aproximadamente toneladas de bagaço. Esse bagaço é pouco utilizado e grande parte desse resíduo é despejada em áreas livres causando sérios problemas ambientais. Entretanto, o uso de novas tecnologias para o reaproveitamento deste resíduo conduzirá à produção de materiais de maior valor econômico. De um modo geral, resíduos vegetais acostumam possuir polímeros heterogêneos (celulose, hemicelulose, lignina) com cadeias lineares que apresentam ramificações laterais, sendo constituída principalmente por pentoses e em menor proporção hexoses (PEREIRA et 1

2 al., 2000). E, por ser um material lignocelulósico fibroso, o bagaço de jabuticaba poderá ser utilizado como matéria-prima para a produção de açúcares redutores que são muito importantes nas indústrias de alimentos, de química, farmacêuticas, de cosméticos, na medicina, etc., entretanto, a obtenção destes açúcares no é nada fácil, uma vez que se precisa de tratamentos rigorosos como ácidos fortes, temperaturas elevadas, altas pressões e outros fatores. A literatura demonstrou a eficiência dos processos de hidrólise ácida para conversão dos resíduos lignocelulósicos em hidrolisados para a obtenção de açúcares redutores. Até o presente, a hidrólise ácida é a que tem sido implementada com êxito a nível comercial (MUSSATTO, 2002). O presente trabalho tem por objetivo a aplicação da Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) na contribuição ao desenvolvimento de técnicas adequadas à hidrólise ácida de resíduos lignocelulósicos do bagaço de jabuticaba. MATERIAL E MÉTODOS Matéria-Prima A casca, resíduo da produção de análogos de vinhos de jabuticaba (Fazenda Jabuticabal, GO), foi desidratada em estufa com circulação de ar forçado à temperatura de 45 C e desintegrada até partículas finas em moinho de bolas. Caracterização Determinou-se a umidade, densidade, matéria seca, cinzas, extrato etéreo e proteína bruta (AOAC, 2003), ph e acidez total (IAL, 1985) e a quantidade de substâncias redutoras totais (MILLER, 1959). Hidrólise seletiva do bagaço de jabuticaba O bagaço foi submetido a diferentes concentrações de ácido sulfúrico na proporção de 1:15 (sólido/líquido). A hidrólise foi conduzida com agitação a 200 rpm, à temperatura de 30 C/15 h. O hidrolisado foi autoclavado a temperaturas que variaram de 100 a 120 C para tempos de 53 a 87 minutos, filtrados e neutralizados com Ca(OH) 2. A fração hemicelulósica foi tratada con carvão ativo em proporção de 2,4% (p/v) para remoção das impurezas seguida de agitação a 130 rpm/1h, filtração e centrifugación. Planejamento experimental Usou-se um delineamento fatorial estrela 2³ com cinco repetições no ponto central e seis axiais. As variáveis foram estabelecidas com três níveis codificados (-1, 0, +1) cujos valores reais correspondentes estão na Tabla 1 (BOX et al., 1978). 2

3 Tabela 1 Variáveis independentes com diferentes níveis estudadas durante a hidrólise do bagaço de jabuticaba. Nível Variável -1, ,682 CAS (%) 2,81 3,5 4,5 5,5 6,18 TH ( C) T (min) X 1 = concentração de ácido sulfúrico (CAS), X 2 = temperatura de hidrólise (TH), X 3 = tempo (T). A resposta (Y) ou variável dependente estudada foi o valor de SRT. Uma equação polinomial de segunda ordem (eq. 1) foi usada para estabelecer um modelo matemático preditivo da resposta. Y = b 0 +b 1 X 1 +b 2 X 2 +b 3 X 3 +b 11 X 1 ²+b 22 X 2 ²+b 33 X 3 ²+b 12 X 1 X 2 +b 13 X 1 X 3 +b 23 X 2 X 3 +ξ (1) Os gráficos de superfície de resposta, de curva de níveis, de pareto e o modelo matemático do rendimento de SRT foram obtidos através do programa Statistica 5.0. RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização Pela Tabela 2 se observa que o bagaço é mais denso que a água (0,99567 g/cm 3 ). Possui baixos teores de extrato etéreo e proteína, porém, se comparado com a polpa (lipídeos 0,89% e proteínas 0,22%), estes teores são bem mais elevados. O teor de carboidratos é elevado onde se consideram as fibras do bagaço. Classifica-se como um produto ácido por ter um ph baixo e produz 4,907g de ácido cítrico por 100g de bagaço seco. Tabela 2 Caracterização do bagaço de jabuticaba. Parâmetro Unidade Média Densidade absoluta g/cm 3 1,468 ± 0,04 Umidade g/100g 7,08 ± 0,06 Matéria seca g/100g 92,93 ± 0,06 Cinzas g/100g 3,49 ± 0,05 Extrato etéreo g/100g 1,14 ± 0,11 Proteína g/100g 11,00 ± 0,09 Carboidrato g glucosa/100g 77,31 ± 1,44 Acidez total g ac. Cít./100g 9,93 ± 1,40 ph - 4,907 ± 0,01 * media de duas repetições. Hidrólise seletiva do bagaço de jabuticaba Os resultados da ANOVA do modelo aplicado (eq. 1) estão na Tabela 3. A variação devido à regressão foi significativa (p<0,05), com 3

4 R 2 =0,9942 explicando 99,42% da variação total da variável resposta em torno da média e apenas 0,58% se atribuiu aos resíduos. Não há evidência da falta de ajuste do modelo aos dados experimentais, uma vez que, a variação devido à falta de ajuste, não é significativa. Tabela 3 Análise de variância para o modelo de regressão quadrática da SRT do bagaço de jabuticaba hidrolisado obtido por análise de superfície de resposta. Fonte de Soma dos Graus de Quadrado F calculado F teórico variação cuadrados liverdade médio Regressão 1.835, , ,403 3,18 ** Resíduos 10, ,190 Falta de ajuste 8, ,610 2,419 6,29 n.s. Erro puro 2, ,665 Total 1.846, ** Significativo ao nível de confiança de 95% (p < 0,05) n.s. não significativo. A Figura 1 mostra a estimativa dos efeitos lineares, quadráticos e a interação das variáveis independentes, ao nível de 95% de confiança. Os efeitos linear e quadrático do tempo de hidrólise assim como os efeitos quadráticos da temperatura e da concentración de ácido foram significativos. p = 0,05 CAS 2 TH 2 T 2 T CAS TH TH x CAS CAS x T TH x T 5,302 1,109 0,683-0,398 0,141 0,023-17,980-39,079-39, Efeitos estimados (valores absolutos) Figura 2 Estimativa dos efeitos lineares e quadráticos das variáveis temperatura, concentração de H 2 SO 4 e tempo de hidrólise no valor de SRT do hidrolisado de bagaço de jabuticaba. De acordo com a Figura 2 o modelo descrito na eq 1. fica estabelecido como: SRT (%) = 40, ,170.T 8,627.TH 2 8,628.CAS 2 3,970.T 2 (2) 4

5 Nas Figuras 2a e 3a se mostram as superfícies de resposta da variação de SRT e nas Figuras 2b e 3b, as curvas de nível da resposta em função de TH e CAS e de T e TH, respectivamente. Pelas Figuras 2a e 3a se podem observar os pontos experimentais e sua distribuição sobre a superfície que propõe o modelo ajustado. O modelo reproduz os valores de rendimento encontrados experimentalmente e se podem apreciar desvios mínimos entre os valores experimentais e os previstos. 6,5 CAS (%) 5,5 4,5 3,5 (a) 2, TH ( o C) Figura 2 Perfil de SRT em função da temperatura e concentración de ácido sulfúrico da hidrólise de bagaço de jabuticaba. a) Superfície de resposta e b) curvas de níveis. (b) 90 T (min.) (a) TH ( o C) Figura 3 Perfil de SRT em função da temperatura e tempo de hidrólise do bagaço de jabuticaba. a) Superfície de resposta e b) curvas de níveis. (b) En la Figura 2b se observa a tendência do valor de SRT aumentando com o aumento da temperatura de hidrólise até um valor de 110 C enquanto a concentração de ácido sulfúrico 5

6 permanece constante a 4,5% (v/v) e na Figura 3b se verifica, mantedo o tempo constante (de 70 minutos), um aumento do valor de SRT com o aumento da temperatura até 110 C. A partir destas observações foi estabelecido um ponto ótimo para o processo de hidrólise ácida do bagaço de jabuticaba. Para um tempo de hidrólise de 70 minutos, 4,5% de H 2 SO 4 (v/v), a uma temperatura de 110ºC e tendo em consideração os cuidados operacionais do proceso de separação do hidrolisado, o máximo valor alcanzado em SRT foi de 41,82 g/100g. CONCLUSÃO Pelos resultados obtidos no presente trabalho se pode concluir que a Metodologia de Superfície de resposta é um método estatístico eficiente para a otimización de processos de hidrólise ácida do bagaço de jabuticaba. A combinação das variáveis concentração de ácido sulfúrico, temperatura e tempo de hidrólise mostrou ser efetiva tendo em vista os resultados alcanzados. A Metodologia de Superfície de Resposta otimizou o valor da quantidade de substâncias redutoras em 41,82 g/100g nas condições de 4,5% (v/v) de H 2 SO 4, 110 C e 70 minutos de hidrólise. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AOAC. Official Methods of Analysis. 14 th ed. Washington, USA: Ass. Off. Analitical. Chem BOX, G. E. P.; HUNTER, W. G.; HUNTER, J. S. Statistics for experimenters: an introduction to design, data analysis, and model building. New York: Wiley and Sons, p. IAL (Instituto Adolfo Lutz). Normas Analíticas do Instituto Adolfo Lutz: Métodos químicos e físicos para análises de alimentos. 3 ed. São Paulo: IAL p. MINISTÉRIO DE AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO. Profruta. Programa de desenvolvimento da fruticultura. Brasília: Secretaría de Apoio Rural e Cooperativismo. Departamento de Fomento e Fiscalização da produção vegetal MILLER, G. L. Use of Dinitrosalicylic Acid Reagent for Determination of Reducing Sugar. Anal. Chem. v. 31, p , MUSSATTO, S. I. Influência do tratamento do hidrolisado hemicelulósico de palha de arroz na produção de xilitol por Cândida guilliermondii. São Paulo, 2002, 173p. Tese (Mestrado), Departamento de Biotecnologia, Faculdade de Engenharia Química de Lorena. PEREIRA, J. C. D.; STURION, J. A.; HIGA, A. R.; HIGA, R. C. V.; SHIMIZU, J. Y. Características da madeira de algumas espécies de eucalipto plantadas no Brasil. Colombo: Embrapa Florestas. 113p. 6