J. G. S. Silva 1, J. A. L. Pallone 1

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1 OTIMIZAÇÃO DA ETAPA DE MINERALIZAÇÃO PARA AVALIAÇÃO DE CÁLCIO, FERRO, MAGNÉSIO E ZINCO EM BAGAÇO DE FRUTAS CÍTRICAS UTILIZANDO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL J. G. S. Silva 1, J. A. L. Pallone 1 1- Departamento de Ciência de Alimentos, Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas - CEP: Campinas, SP Brasil, Telefone: (19) jpallone@unicamp.br RESUMO Os resíduos de laranjas e limões provenientes da indústria de sucos são empregados principalmente na incorporação à ração animal, sendo assim um produto subutilizado devido ao pouco aproveitamento na alimentação humana. Poucos trabalhos têm realizado uma otimização da etapa de preparo de amostras para análise de minerais, assim, o objetivo da pesquisa foi otimizar um método analítico para avaliar os teores de ferro, cálcio, magnésio e zinco por Espectrometria de Absorção Atômica com Chama em amostras de bagaço citrus. Foi realizado um planeamento fatorial completo 2 2 com ponto central onde foram otimizadas as variáveis massa de amostra e volume de ácido nítrico. A condição considerada adequada foi aquela em que foram usados os maiores valores de massa de amostra e volume de ácido nítrico. Foram observadas altas concentrações de cálcio, ferro e magnésio, indicando que os resíduos de citrus tem potencial para serem usados na alimentação humana. ABSTRACT The residues from orange and lemon juice industry are mainly used in animal feed incorporation, and thus a product underutilized due to little use in human food. Few studies have performed an optimization of sample preparation step for analysis of minerals, so the objective was to optimize an analytical method to assess the levels of iron, calcium, magnesium and zinc by Atomic Absorption Spectrometry Flame in residue samples citrus. A experimental design (2 2 with central point) was realized where the mass variable sample and nitric acid were optimized volume. The condition was considered appropriate that were used in which the largest sample values of mass and volume nitric acid. High concentrations of iron, calcium and magnesium were observed, indicating that the citrus bagasse has potential for use in human food. PALAVRAS-CHAVE: bagaço, citrus, planejamento experimental, minerais. KEYWORDS: bagasse, citrus, minerals, experimental design. 1. INTRODUÇÃO A agroindústria brasileira se destaca na produção de laranjas e limões (IBGE, 2014; MAPA, 2015). Após o processamento dos frutos é gerada grande quantidade de bagaço que possui pouca utilização na alimentação humana. Estudos realizados por Barros et al. (2012) mostraram que cascas de laranja pêra e limão taiti produzidos no Brasil têm em sua composição os minerais cálcio, ferro, zinco, potássio, manganês, sódio, magnésio e cobre.

2 Os minerais são importantes para a manutenção do bom funcionamento do organismo humano e sabe-se que atualmente ainda há a deficiência ou ingestão de minerais abaixo do recomendado pelas IDRs como ferro, cálcio, magnésio e zinco (Cozzolino, 2007; WHO, 2006). Na análise de minerais o preparo da amostra é essencial e na etapa de mineralização ácidos podem ser adicionados a amostra para promover a degradação da matéria orgânica (Alonso et al., 2015). O planejamento experimental pode ser utilizado na etapa de mineralização a fim de se avaliar a influência das variáveis e de suas interações em determinado processo, utilizando menores quantidades de ensaios, menos tempo de análise e menores custos, permitindo a avaliação das melhores condições de trabalho (Neto et al., 2010; Rodrigues e Iemma, 2009). No entanto, o planejamento experimental tem sido pouco utilizado para a otimização da determinação simultânea de minerais e análise por Espectrometria de Absorção Atômica (Pereira-Filho et al., 2002; Santos et al., 2008), destacando-se sua pouca aplicação na etapa de preparo de amostra (Trindade, 2009). Estudos sobre o potencial de minerais em resíduo da indústria de sucos de laranja e limão ainda são escassos. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa foi otimizar um método analítico para avaliar os teores de ferro, cálcio, magnésio e zinco por Espectrometria de Absorção Atômica com Chama em amostras de bagaço citrus resultantes dos processamentos de laranjas e limões das indústrias de suco. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1 Reagentes e equipamentos Foram utilizados na preparação e análise das amostras: moinho, balança analítica, bloco digestor, banho de ultrassom, tubos de vidro com 25 cm de comprimento, 2 cm de diâmetro interno e 2 mm de espessura da parede e funis analíticos (3 cm de diâmetro e 8 cm de comprimento). Todas as vidrarias usadas foram lavadas em banho de detergente e enxaguadas com água até a completa eliminação de espumas. Após o enxágue foram imersas em banho de ácido nítrico 10% (v/v) por pelo menos 12 horas. Em seguida, as vidrarias foram enxaguadas com água ultra pura e secas à temperatura ambiente. Para as análises de cálcio, ferro, magnésio e zinco foi utilizado um Espectrômetro de Absorção Atômica com Chama (FAAS), modelo AAnalyst 200, com uma lâmpada de deutério para correção da radiação de fundo e lâmpadas de cátodo oco para determinação de ferro (248,3 nm), cálcio (422,67 nm), magnésio (285,21 nm) e zinco (213,86 nm) (Perkin Elmer). Cada amostra foi introduzida no nebulizador e misturada a uma chama de ar/acetileno (2,5 L h -1 / 10 L h -1 ) a aproximadamente 2000ºC. Para a mineralização das amostras foram utilizados ácido nítrico (Sigma-Aldrich) e peróxido de hidrogênio (Synth). Para a construção das curvas analíticas foram usadas soluções padrão de ferro, cálcio, magnésio e zinco (Sigma-Aldrich), todos de concentração de 1000 mg g -1. As soluções foram preparadas em água ultra pura do sistema Sartorious, modelo Arium Confort (EUA) e filtradas em papel de filtro quantitativo livre de cinzas. As análises estatísticas foram realizadas no Statistica 8.0 (Statsoft, Inc., Tulsa, USA). 2.2 Amostras Para a otimização uma alíquota de 100g de amostra foi moída e homogeneizada, foram usadas amostras de bagaço de uma mistura de citrus (composta por laranja pêra, laranja hamlin e limão taiti) provenientes do processamento de laranjas e limões das indústrias de sucos. 2.3 Otimização do método para análise de minerais em bagaço de citrus

3 Foram avaliados os minerais cálcio (Ca), ferro (Fe), magnésio (Mg) e zinco (Zn). Nas análises de cálcio e magnésio foram adicionados óxido de lantânio 1% m/v. A amostra de mistura avaliada foi mineralizada a partir do método proposto por Boen e Pallone (2009). Para avaliação das condições de mineralização que resultassem na digestão adequada da amostra, melhor recuperação e repetitividade foi realizado uma otimização das variáveis massa de amostra e volume de ácido nítrico por meio de um planejamento experimental do tipo fatorial completo, composto por 2 2 (4 experimentos) em duplicata e 3 pontos centrais, totalizando 11 ensaios. Assim foram avaliadas as respostas, correspondentes às concentrações de ferro, cálcio, magnésio e zinco, nas condições otimizadas. Na Tabela 1 podem ser observados os níveis e valores das variáveis. Na Tabela 2 pode ser observada a matriz dos ensaios. Tabela 1. Variáveis e níveis otimizados no planejamento experimental. Variáveis Níveis Código Massa amostra (g) x 1 0,30 0,45 0,60 Volume ácido nítrico (ml) x Tabela 2. Matriz dos ensaios do planejamento experimental ponto central. Ensaios Massa amostra Volume ácido Massa amostra Volume ácido (g) nítrico (ml) (g) nítrico (ml) , , , , , RESULTADOS E DISCUSSÃO Para realizar a mineralização foram pesada em um tubo de vidro as massas de amostra e adicionado os volumes de ácido nítrico, determinados no planejamento experimental, e deixados em repouso por uma noite para diminuir a formação de espuma durante o aquecimento. Os tubos foram aquecidos com rampa de aquecimento por 2 horas a 110ºC e em seguida por mais 2 horas a 130ºC. Do planejamento experimental foram obtidas as respostas para as concentrações dos minerais de interesse, cálcio, ferro, magnésio e zinco presentes na mistura composta por laranjas e limões. Os valores das concentrações dos minerais analisados podem ser observados na Tabela 3. Tabela 3. Respostas para a concentração de minerais obtidos no planejamento fatorial 2 2 com triplicata no ponto central. Ensaios Concentração (µg/g) Cálcio Ferro Zinco Magnésio ,88 39,38 7,39 10,69 945,60 970, ,51 41,17 9,01 6,60 899,80 898, ,88 39,78 4,29 3, , ,65 36,21 6,48 6, ,7 35,44 35,82 6,54 7,06 8,54 947,8 936,7 964,8

4 Por meio da Tabela 3 observa-se que o valor médio encontrado para o teor de cálcio na amostra de mistura de citrus foi de 6781 µg g -1. Para o ferro as concentrações variaram de 35,44 µg g -1 a 41,17 µg g -1. Para o zinco a concentração variou de 3,98 µg g -1 a 10,69 µg g -1, sendo que alguns ensaios apresentaram melhor repetitividade e para o magnésio a concentração média encontrada foi de 943,74 µg g -1. Os valores obtidos foram analisados no Statistica 8.0 e obtidos os Gráficos de Pareto que podem ser observados na Figura 1, onde estão representados os efeitos das variáveis massa de amostra e volume de ácido nítrico para cada mineral. As variáveis significativas interceptaram a linha tracejada de p=0,05. Figura 1. Gráficos de Pareto representando os efeitos para cálcio, ferro, zinco e magnésio. (Cálcio) (Ferro) (Zinco) (Magnésio) Conforme observado na Figura 1 as variáveis massa de amostra e volume de ácido nítrico possuem efeito significativo na mineralização do cálcio e não há efeito de interação significativo. O aumento da massa de amostra e do volume de ácido nítrico aumentam a concentração de cálcio em

5 305 e 304 µg g -1, respectivamente. Dessa forma, para uma melhor extração deste elemento, a condição mais adequada é a que possui a maior massa de amostra (0,6g) e o maior volume de ácido nítrico (8 ml). A análise de variância para o cálcio mostrou que não houve falta de ajuste para o modelo, o que significa que os dados se ajustam a uma equação linear. A variação explicada (R 2 =82%) também foi satisfatória. Observou-se ainda que os fatores de massa de amostra e volume de ácido nítrico são altamente significativos, uma vez que o p-valor é menor que 0,05. Para o ferro, observou-se que nenhum efeito linear ou de interação foi estatisticamente significativo (p-valor > 0,05), dessa forma a variação nos valores de massa de amostra e volume de ácido nítrico na faixa estudada neste trabalho não afetaram a concentração do ferro, logo pode-se usar qualquer uma das condições dos ensaios, dando-se prioridade para a que melhor se adequar para os dados de recuperação e repetitividade. De acordo com o, para o zinco apenas o volume de ácido nítrico foi significativo, indicando que um aumento no volume de ácido nítrico diminui a concentração do zinco, e para uma quantificação adequada desse mineral, o ideal seria usar os menores valores de volume de ácido, ou seja, 6 ml de ácido nítrico. Observa-se que a massa de amostra e a interação entre massa de amostra e volume de ácido nítrico não possuem influência significativa na concentração de zinco. A análise de variância para a concentração de zinco indicou que apenas o volume foi significativo (pvalor<0,05) e que não houve falta de ajuste para o modelo (R 2 =0,70). Para o magnésio a variável massa de amostra teve efeito significativo na mineralização do mineral (p<0,05), diminuindo em 68,90 µg g -1 a concentração de magnésio quando se aumenta a massa de amostra. O volume de ácido nítrico e a interação de massa de amostra e volume de ácido nítrico não foram estatisticamente significativos (p>0,05). A ANOVA para a mineralização do magnésio não mostrou falta de ajuste, estando os dados adequados para o modelo. A variação explicada (R 2 ) indica que 87% dos valores são explicados pelo modelo. Assim, de acordo com a avaliação dos efeitos e das curvas de contorno (não apresentadas), observa-se que para o ferro diferentes volumes e massas de amostras não interferem na extração do mineral, para o zinco uma diminuição no volume de ácido nítrico favoreceria em um aumento de 3 µg g -1, para o magnésio o aumento da massa de amostra diminui a concentração do mineral em aproximadamente 68,90 µg g -1, para o cálcio tanto o aumento da massa de amostra quanto do volume de ácido nítrico melhora a extração do mineral em aproximadamente 300 µg g -1. Observa-se que, apesar de a mineralização do zinco ser favorecida em menor quantidade de ácido nítrico, nessas mesmas condições a repetitividade para o mineral não é boa, variando em 3 µg g -1 nos ensaios 1 e 2 que usam 6 ml de HNO 3. A condição ideal a ser escolhida é aquela que além de proporcionar maior recuperação de todos os minerais, também garanta a boa repetitividade dos mesmos para o método utilizado, logo a condição considerada mais adequada para a mineralização de todos os minerais e que atenda a esses requisitos foi a do ensaio 4, onde usou-se a maior quantidade de amostra (0,6 g) e o maior volume de HNO 3 (8 ml). 4. CONCLUSÃO O planejamento experimental mostrou-se adequado para a otimização das condições de mineralização da amostra de resíduo de citrus. Assim com a avaliação dos efeitos de cada variável e de suas interações foi possível a obtenção das maiores concentrações de cada mineral, repetitividade e adequada degradação da matéria orgânica. A partir das análises realizadas tornou-se possível uma adequada mineralização das amostras de resíduos de laranjas, limões ou misturas destes e o estudo de minerais de interesse, permitindo assim a avaliação do uso dessas amostras na alimentação humana, principalmente devido ao seu conteúdo mineral, podendo colaborar na diminuição das deficiências dos minerais cálcio, ferro, zinco e magnésio.

6 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alonso, G. J. I., Marchante Gayón, J. M., & Moldovan, M. (2015). New developments in food analysis by ICP MS. In M. GUARDIA & S. GARRIGUES (Eds.), Handbook of Mineral Elements in Food. United Kingdon: John Wiley & Sons. Barros, H. R., Ferreira, T. A., & Genovese, M. I. (2012). Antioxidant capacity and mineral content of pulp and peel from commercial cultivars of citrus from Brazil. Food Chem, 134(4), doi: /j.foodchem Boen, T. R., & Pallone, J. A. L. (2009). Folic Acid, Iron, and Zinc Contents in Chosen Food Products Prepared with Fortified Flours. Cereal Chemistry, 86(6), Cozzolino, S. M. F. (2007). Deficiências de minerais. Estudos avançados, 21(60), IBGE. (2014). Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Produção Agrícola Municipal Disponível em: MAPA. (2015). Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento. Culturas: Citrus. Disponível em: Neto, B. B., Scarminio, I. S., & Bruns, R. E. (2010). Como fazer experimentos (4ª ed.). Porto Alegre: Bookman. Pereira-Filho, E. R., Poppi, R. J., & Arruda, M. A. Z. (2002). Emprego de planejamento fatorial para a otimização das temperaturas de pirólise e atomização de Al, Cd, Mo e Pb por ETAAS. Química Nova, 25(2), Rodrigues, M. I., & Iemma, A. F. (2009). Planejamento de experimentos e otimização de processos (Segunda ed.). Campinas, São Paulo: Casa do Espírito Amigo Fraternidade Fé e Amor. Santos, L. M. G., Gonçalves, J. M., & Jacob, S. C. (2008). Determinação simultânea de As, Cd e Pb em amostras de água purificada para hemodiálise por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite, após otimização multivariada baseada no uso de planejamento experimental. Química Nova, 31(5), Trindade, J. M. (2009). Otimização de um procedimento eletroanalítico usando planejamento experimental para determinação de metais em gasolina comum. (Tese de doutorado), Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, Paraíba. WHO. (2006). World Health Organization. Guidelines on food fortification with micronutrientes.