CARLOS ALBERTO DIORIO

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO MESTRADO EM AGRONOMIA

DETERMINAÇÃO RÁPIDA E AUTOMÁTICA DE AÇÚCARES REDUTORES EM CALDO DE CANA-DE-AÇÚCAR

CARLOS ALBERTO DIORIO

Presidente Prudente – SP 2012

FABIO BENINCASA

Presidente Prudente – SP 2012

DETERMINAÇÃO RÁPIDA E AUTOMÁTICA DE AÇÚCARES REDUTORES EM CALDO DE CANA-DE-AÇÚCAR

FABIO BENINCASA

Dissertação apresentada a Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Agronomia - Área de Concentração:

Produção Vegetal.

Orientador: Prof. Dr. Tadeu Alcides Marques PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

MESTRADO EM AGRONOMIA

633.611 B467d

Benincasa, Fábio.

Determinação rápida e automática de açúcares redutores em caldo de cana-de-açúcar. / Fabio Benincasa. -- Presidente Prudente, 2012.

39 f.: il.

Dissertação (Mestrado em Agronomia) - Universidade do Oeste Paulista – Unoeste, Presidente Prudente, SP, 2012.

Bibliografia.

Orientador: Tadeu Alcides Marques

1. Milivoltagem. 2. Oxi-redução. 3. Titulação. 4.

Cana-de-açúcar. I. Título.

DETERMINAÇÃO RÁPIDA E AUTOMÁTICA DE AÇÚCARES REDUTORES EM CALDO DE CANA-DE-AÇÚCAR

FABIO BENINCASA

Dissertação apresentada a Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade do Oeste Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Agronomia - Área de Concentração:

Produção Vegetal.

Presidente Prudente, 21de Junho de 2012.

Presidente Prudente, 15 de maio de 2012.

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________________

Orientador: Prof. Dr. Tadeu Alcides Marques Universidade do Oeste Paulista - UNOESTE Presidente Prudente - SP

_______________________________________________

Prof. Dr. Fábio Fernando de Araújo

Universidade do Oeste Paulista - UNOESTE Presidente Prudente - SP

_______________________________________________

Prof. Dra. Haydée Siqueira Santos.

Faculdade de Tecnologia São Paulo - FATEC Presidente Prudente - SP

DEDICATÓRIA

Primeiramente e especialmente a Deus, pois sem ele nada seria possível.

A toda minha família, e em especial minha mãe Suraya Isper de Campos pelo esforço, dedicação e compreensão, em todos os momentos destas e de outras caminhadas.

Ao professor orientador, Dr. Tadeu Alcides Marques, pelos ensinamentos e confiança no desenvolvimento deste trabalho, pela paciência e rigidez, me fez aprimorar meus conhecimentos, além da força e do incentivo e a grande amizade criada.

A todos os professores, sem exceção, pelos conhecimentos a mim passados e por todos os momentos que passamos juntos.

A minha noiva Jacqueline por sua paciência e todo seu carinho, sempre me apoiando e ajudando a resolver meus problemas, meu agradecimento.

Aos amigos Luis Eduardo, Fabio Modolo, Marcos Sedano, nos quais sempre pude contar me apoiar e pelo exemplo de amizade.

Aos funcionários da Instituição que sempre atenderam a solicitações e nunca mediram esforços para que fosse realizado.

À Universidade do Oeste Paulista em especial ao CENTEC a onde pude desenvolver minha pesquisa.

Enfim, a todos aqueles que direta ou indiretamente ajudaram na elaboração deste trabalho.

Meu muito obrigado.

AGRADECIMENTOS

A todos aqueles que contribuíram para a realização deste trabalho, com atenção especial aos que cito abaixo:

Aos diretores e funcionários da TECNAL Equipamentos para Laboratórios que desde o início do projeto sempre esteve apoiando e acreditando nesta ideia.

Ao professor Dr. Tadeu Alcides Marques, pela amizade, apoio, orientação, por todos os ensinamentos e confiança depositados em mim durante a realização deste trabalho.

A amiga e coordenadora do curso de Produção Sucroalcooleira Angela M.M Godinho pela ajuda e carinho que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

No que diz respeito ao desempenho, ao compromisso, ao esforço, à dedicação, não existe meio termo. Ou você faz uma coisa bem-feita ou não faz’’

Ayrton Senna

RESUMO

DETERMINAÇÃO RÁPIDA E AUTOMÁTICA DE AÇÚCARES REDUTORES EM CALDO DE CANA-DE-AÇÚCAR

Os monossacarídeos (glicose e frutose) presentes na cana-de-açúcar são açúcares redutores por possuírem grupo carbonílico livres, capazes de se oxidarem na presença de agentes oxidantes. Os métodos analíticos clássicos (Lane-Eynon, Benedict, complexométrica-EDTA, Luff-Schoorl, Musson-Walker, Somogyi-Nelson) baseiam-se na redução de íons cobre em soluções alcalinas. Algumas indústrias sucroalcooleiras utilizam a metodologia de Lane-Eynon, outras o aparelho REDUTEC^® e outras realizam o calculo de AR (açúcares redutores). O objetivo do presente estudo foi compreender a relação entre a variação da condutividade elétrica medida em milivoltagem, massa gasta e concentração de AR, com aparelho semelhante ao proposto por Horii e Gonçalves, devidamente adaptado, testou-se modelos matemáticos com caldos de cana-de-açúcar e realizou-se a automação das análises. Utilizou-se o aparelho REDUTEC^®, balança digital, bomba peristáltica, câmera de vídeo digital, programas matemáticos e gráficos. Conclui-se que existe uma correlação matemática entre condutividade elétrica (mv), massas gasta e AR, O modelo matemático gerado é eficiente estatisticamente, para solução de baixa concentração de AR (< 0,3%).

Palavras-chave: Condutividade elétrica. Oxi-redução. Automação industrial.

ABSTRACT

RAPID DETERMINATION OF REDUCING SUGARS IN, AUTOMATIC AND BROTH OF SUGAR CANE

The monosaccharides (glucose and fructose) present in the sugarcane are reducing sugars because they have free carbonyl group, able to oxidize in the presence of oxidizing agents. The classical analytical methods (Lane-Eynon, Benedict, EDTA complexometric-, the Luff-Schoorl method, Musson-Walker, Somogyi-Nelson) based on the reduction of copper ions in alkaline solutions. Some industries use sucroalcooleiras methodology Lane-Eynon, other apparatus REDUTEC^®, and others perform the calculation of RS (reducing sugar). The aim of this study was to understand the relationship between the variation of electric conductivity measurement in millivolts, mass wears and concentration of RS, with equipment similar to that proposed by Horii and Gonçalves, properly adapted, tested mathematical models with broth of sugar cane and held the automation of analyses.

We used the apparatus REDUTEC ®, digital scales, peristaltic pump, digital camcorder, graphics and mathematical programs. It is concluded that there is a mathematical correlation between electrical conductivity (mv), RS. The mathematical model is statistically efficient solution of low concentration of RS (<0.3%).

Keywords: Electrical conductivity. Oxy-reduction. Industrial automation.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Aparelho REDUTEC^® com as adaptações da metodologia proposta... 24 FIGURA 2 - Utilização da câmera filmadora para realização das analises no

aparelho REDUTEC^® com as adaptações da metodologia proposta...

25 FIGURA 3 - Resultados obtidos e os coeficientes de variação em

porcentagem (CV%) para a condutividade elétrica (mv) e massa gasta...

27 FIGURA 4 - Condutividade elétrica medida em milivoltagem (mv) em função

da massa gasta com as 9 repetições obtidos nas titulações a cada 5 s com a concentração mista de 0,5%...

29 FIGURA 5 - Condutividade elétrica medida em milivoltagem (mv) em função

da massa gasta com as 9 repetições obtidos nas titulações a cada 5 s com a concentração mista de 1,0%...

29 FIGURA 6 - Condutividade elétrica medida em milivoltagem (mv) em função

da massa gasta com as 9 repetições obtidos nas titulações a cada 5 s com a concentração mista de 2,0%...

30 FIGURA 7 - Modelos matemáticos obtidos com concentrações de 0,5%,

1,0% e 2,0% de solução mista... 31 FIGURA 8 - Modelagem tridimensional das 3 curvas das concentrações de

0,5%, 1,0% e 2,0%... 32

LISTA DE TABELA

TABELA 1 - Coeficientes de variação dos resultados obtidos de diferentes concentrações de Frutose, Glicose e Mista para a condutividade elétrica (mv) e massa gasta (mg)... 28

TABELA 2 - Valores de AR calculados com o modelo matemático Conc%= f (mV, massa gasta) durante o processo de titulação para três concentrações de caldo diferentes... 34

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 12

2 OBJETIVO ... 14

3 REVISÃO DA LITERATURA ... 15

3.1 Pagamento de Cana por Teor de Sacarose (PCTS) ... 15

3.2 Açúcares Redutores ... 16

3.3 Reação química de Oxi-Redução ... 17

3.4 Sacarose, Glicose e Frutose ... 18

3.4.1 Fundamentos teóricos da determinação de açúcares redutores pelo método de Lane e Eynon. ... 20

3.5 Automação Industrial ... 21

4 MATERIAL E MÉTODOS ... 23

4.1 Etapa 1 ... 23

4.2 Etapa 2 ... 24

4.3 Etapa 3 ... 25

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 27

5.1 Etapa 1 ... 27

5.2 Etapa 2 ... 28

5.3 Etapa 3 ... 33

6 CONCLUSÃO ... 36

REFERENCIAS ... 37

12

1 INTRODUÇÃO

Segundo Companhia Nacional de Abastecimento – CONAB (2012), a área cultivada com cana-de-açúcar para atividade sucroalcooleira na safra 2012/13 está estimada em 8,6 milhões hectares, distribuídos em todos estados produtores. O estado de São Paulo é o maior produtor com 51,66% de área plantada. A produtividade média brasileira está estimada em 70,3 ton/ha^-1, 2,9% maior que na safra 2011/12, que foi de 68,3 ton/ha^-1.

Para garantir maior produção de açúcar e etanol, é necessário ampliações das lavouras canavieiras, e aumento de produtividade com a melhoria da qualidade da matéria prima (MICHELAZZO; BRAUNBECK, 2008). Sendo que o monitoramento da qualidade da cana-de-açúcar no Brasil é realizado rotineiramente pelas análises tecnológicas, Pol (% de sacarose aparente), Brix (% de sólidos solúveis), AR (% de açúcares redutores), e fibra, sendo calculado o ART (Açúcares redutores totais) e o ATR (açúcares teoricamente recuperáveis) (FERNANDES, 1999). Unidades industriais podem utilizar diferentes metodologias, protocolos analíticos, reconhecidos e aprovados pela ICUMSA (Comissão Internacional para Uniformização Metodológica de Análises de Açúcar) e INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia Qualidade e Tecnologia). Os monossacarídeos (glicose e frutose) presentes na cana-de-açúcar, são açucares redutores por possuírem grupo carbonílico livres, capazes de se oxidarem na presença de agentes oxidantes (MATTOS, 1991). Sendo algumas metodologias clássicas (método de Lane e Eynon, de Benedict, complexométrico de EDTA, de Luff-Schoorl, de Musson-Walker, de Somogyi-Nelson) fundamentadas na redução de íons cobre em soluções alcalinas (SILVA et.al., 2003a). Algumas unidades industriais utilizam titulação a quente (Lane e Eynon), outras utilizam o aparelho denominado REDUTEC^® (um determinador dos açúcares redutores), e outras realizam o calculo matemático do AR. Estes procedimentos deveriam ser padronizados(CALDAS, 2005).

Um incremento tecnológico na análise tradicional de AR foi proposta por Horii e Gonçalves (1991), através da introdução do aparelho REDUTEC^®, com finalidade de agilizar e otimizar a metodologia de Lane e Eynon (1934). Contudo segundo Isejima, Costa e Souza Junior (2002) a metodologia de AR, mesmo após as adaptações com a utilização do REDUTEC^® não é capaz de atender à demanda das indústrias, que recebem um grande número de amostras oriundas de diferentes

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talhões de cana. Também são realizadas análises de AR nos materiais em processo, em diferentes setores da usina como recepção, terno da moenda, fabrica de açúcar, entre outros, cerca de 800 análises por dia.

O eletrodo de platina, de oxi-redução foi inserido no aparelho REDUTEC^® para facilitar a determinação do ponto de viragem pela variação da milivoltagem gerada na reação do cobre do licor de fehling com os açúcares redutores, diminuindo o valor de mV até estabilização(SILVA et al., 2003b).

A justificativa para este trabalho é a automação, rapidez e exatidão na metodologia de análise laboratoriais de açúcares redutores.

A hipótese do presente trabalho é que existe uma correlação entre a variação do potencial de oxi-redução da solução de Fehling (medida em mV) e a massa gasta durante o processo de titulação com soluções açucaradas. Esta correlação pode matematicamente estimar o valor real de açúcares redutores da amostra analisada. A determinação pode ser automatizada através do registro eletrônico da massa (em balança automática com saída RS 232) e milivoltagem (em potenciômetro eletrônico com saída RS 232). Estes dados podem ser capturados e disponibilizado em banco de dados para posterior processo de calculo matemático por computadores.

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2 OBJETIVO

O objetivo foi compreender a relação entre a variação da milivoltagem, massa gasta e concentração de AR, com aparelho semelhante ao proposto por Horii e Gonçalves (1991), devidamente adaptado, testar modelos matemáticos com caldos de cana-de-açúcar naturais e propor automação da análise.

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3 REVISÃO DA LITERATURA

3.1 Pagamento de Cana por Teor de Sacarose (PCTS)

O Ato 25, publicado no Diário Oficial da União, em 17 de agosto de 1982, estabeleceu que a partir do ano-safra 1983/84 todas as usinas e destilarias, com mais de três anos de funcionamento, teriam que pagar a cana aos fornecedores pelo teor de sacarose. Até então, o Brasil, maior produtor mundial de cana-de- açúcar, e seus derivados (açúcar e álcool), ainda utilizava o antigo método de pagamento por peso. A cana quando chegava à unidade produtora era apenas pesada, não considerando a qualidade da matéria-prima. Esse atraso do Brasil em adotar a nova sistemática ocorreu por problemas de ordem política e principalmente problemas de ordem tecnológica. Esse sistema de pagamento da cana-de-açúcar denominava-se Sistema de Pagamento da Cana pelo Teor de Sacarose (PCTS), por meio do qual o pagamento aos fornecedores era feito pela qualidade, ou seja, pelo teor de sacarose da cana e a pureza do caldo (SANTOS; BORÉM; CALDAS, 2011).

Desde então, o sistema de pagamento de cana de açúcar no Brasil baseia-se no conteúdo de açúcares totais recuperáveis (ATR), que são constituídos de sacarose e açúcares redutores (glicose e frutose). Em face das dificuldades para analise direta dos açúcares redutores do caldo (AR), adotou-se, para o estado de São Paulo, uma equação de correlação linear entre os açúcares e a pureza do caldo, em substituição à determinação direta de AR pelo método titulométrico Lane e Eynon. Entretanto de acordo com Fernandes (2000), não se deve empregar a equação quando se desejam resultados mais precisos, já que a regressão é variável, dependendo das condições de cultivo, clima e variedade. Apesar dessas diferenças, as comissões técnicas dos Estados do Rio de Janeiro e Espírito Santo decidiram adotar essa mesma equação de regressão, por não disporem de série histórica contendo dados consistentes, para elaborar uma própria equação. E ao contrario do Estado de São Paulo, não facultaram as unidades industriais a determinação direta dos açúcares redutores pelo método titulométrico Lane e Eynon para efeito de pagamento de cana. No estado da Paraíba, outra equação de regressão linear foi obtida para as variáveis de AR e pureza do caldo (MELO; LIMA NETO, 2009).

A determinação dos açúcares redutores pelo método titulométrico tem

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sido preferida pelas comissões de pagamento de cana, por causa da morosidade técnica. Mesmo depois de ter sido adaptado por Horii e Gonçalves (1991), o método de análise de AR pelo REDUTEC^® não é capaz de atender a demanda das indústrias que recebem um grande número de fornecedores, uma vez que em algumas delas é comum realizarem-se cerca de 500 análises por dia.

A reação de Fehling, que consiste num método titulométrico e no qual se baseia o método de Lane e Eynon foi originalmente desenvolvida para realizar análises qualitativas, mais do que quantitativas (NELSON; COX, 2000) e algumas inconveniências do método sob aspecto operacional que geraria alguns erros de determinação foram enumerados por Zago, Silva e Amorim (1992).

3.2 Açúcares Redutores (AR)

A glicose, frutose e sacarose, açúcares solúveis que fazem parte de um grande numero de alimentos, apresentam características estruturais que possibilitam a sua determinação qualitativa e quantitativa. Glicose e Frutose por apresentarem uma função aldeídica e uma cetona livre, respectivamente, estão capacitados a reduzirem cátions como cobre e prata transformando-se simultaneamente em produtos mais oxidados (INSTITUTO ADOLFO LUTZ, 2007).

Os dissacarídeos que não possuem essa característica sem sofrerem hidrólise da ligação glicosídica são denominados de açúcares não redutores. A análise desses açúcares é uma atividade rotineira nos laboratórios das indústrias alimentícias, nas quais pode-se observar uma certa carência, no que se refere a técnicas padronizadas para análises (CANO; ALMEIDA-MURADIAN, 1998).

Diversos reativos são utilizados para demonstrar a presença de grupos redutores, em açúcares. De fato, os monossacarídeos podem ser oxidados por agentes oxidantes relativamente suaves tais como os íons férricos (Fe³⁺) e cúprico (Cu²⁺) (VILLELA; BACILA; TASTALDI, 1973).

Para se estimar o teor de açúcares redutores e açúcares redutores totais em alimentos, existem vários métodos químicos não seletivos que fornecem resultados, com elevado grau de confiabilidade, quando utilizados corretamente após eliminação de interferentes (BORGES; PARAZZI; PIEDADE, 1987).

Outros métodos mais seletivos vêm sendo estudados e aplicados em menor escala como a cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), que identifica

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uma maior variedade de carboidratos na amostra, por ser mais sensível, além de possuir um tempo de análise pequeno e as determinações enzimáticas que sendo muito específicas, não vão sofrer ação de possíveis interferentes com grupos redutores livres. Os métodos químicos clássicos conhecidos para a análise de açúcares redutores são na sua maioria fundamentados na redução de íons cobre em soluções alcalinas (solução de Fehling), mas também existem aqueles fundamentados na desidratação dos açúcares, por uso de ácidos concentrados, com posterior coloração com compostos orgânicos, além da simples redução de compostos orgânicos, formando outros compostos de coloração mensurável na região do visível (SILVA et al., 2003a).

Dentro dos protocolos utilizados no setor sucroalcooleiro, os métodos podem ser agrupados tanto em titulométricos (EDTA e Lane-Enyon, Luff-Schoorl) (MATISSEK; SCHENEPEL; STEINER, 1998) gravimétricos (Musson-Waker) (SPENCER; MEADE, 1945) e espectrofotométricos (ADNS, Antrona, Fenol-Sulfúrico, Somogyi-Nelson) (VILLELA; BACILA; TASTALDI, 1973).

3.3 Reação Química de Oxi-Redução

Grande parte dos fenômenos que ocorrem no nosso dia-a-dia vitais para nossa sobrevivência ou apenas importante para melhorar a qualidade de vida, prejudiciais a nossa vida ou ainda indesejáveis as indústrias, envolve reações de oxido - redução. Essas reações são caracterizadas pelo movimento de elétrons entre espécies químicas. São exemplos de reações de oxido-redução presentes em nosso cotidiano, os testes de glicose na urina ou o teor de álcool espirado (bafômetro), o combate a corrosão efetivado quando pintamos grades de ferro (com zarcão) ou galvanizamos os pregos (recobrimento com zinco). Entre outras reações, estão o indesejável escurecimento de frutas, vegetais ou suco de frutas pelas industrias.

Além disso, podemos mencionar a sua importância para a compreensão dos mecanismos de inúmeras reações químicas. O conceito de oxido-redução é importante no entendimento de vários aspectos da química como, por exemplo, a estrutura molecular (ligação iônica e covalente) e a reatividade dos metais (deslocamento de metais, agentes oxidantes e redutores, potenciais de eletrodo) e, principalmente, na eletroquímica (REIS, 2001).

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Oxidação é uma reação química que capta elétrons e que provoca a oxidação da outra espécie, portanto o oxidante é quem aceita elétrons. Já o redutor é o agente que cede elétrons e provoca a redução da outra espécie química e ele é que dá os elétrons e estes processos são simultâneos. Possuímos alguns exemplos de oxidação na nossa vida diária como a ferrugem, o apodrecimento das frutas, o fogo, a fotossíntese e a respiração. Os oxidantes mais fortes são o flúor e o ozônio sendo que os agentes redutores são os metais altamente eletro positivo como o sódio. Tanto o oxidante como o redutor de uma substância depende dos outros compostos que participam da reação e da acidez e alcalinidade do meio que ela está ocorrendo (OLIVEIRA, 2002).

Uma coisa muito interessante é o fenômeno chamado auto-redox que é quando o mesmo elemento sofre oxidação e redução na mesma reação (CALDAS, 2005).

A propriedade de óxi-redução de cátions cobre, afeta a cor das soluções que os contêm, tornando-os adequados para o emprego como componentes em reagentes analíticos. O Cu²⁺, de característica cor azul anil quando em solução alcalina, ao ser reduzido estequiometricamente a Cu¹⁺ proporciona ao meio de reação um precipitado vermelho-tijolo, este é o fundamento químico do reagente conhecido como licor de Fehling (DEMIATE et al., 2002).

3.4 Sacarose, Glicose e Frutose

A sacarose, glicose e frutose fazem parte da classe dos carboidratos que são poli-hidroxi-aldeídos, poli-hidroxi-cetonas ou moléculas que quando hidrolisadas geram esses compostos. Os monossacarídeos são os carboidratos que apresentam no mínimo três carbonos. Os carboidratos com seis carbonos, hexoses, e é nessa classe que se incluem a glicose e a frutose. Os dissacarídeos são compostos que quando hidrolisados originam dois monossacarídeos e, como exemplo destes compostos, está a sacarose, que hidrolisada origina a glicose e a frutose. Os polissacarídeos são compostos que ao sofrerem hidrólises originam um grande número de monossacarídeos. Exemplos de polissacarídeos são o amido e a celulose (CALDAS, 1998).

Ainda segundo Caldas, 1998 a sacarose é um composto bastante conhecido, porque é na realidade o açúcar doméstico produzido a partir da cana-de-

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açúcar e da beterraba. A sacarose é um dissacarídeo de formula C12H22O11, que quando submetida a uma hidrólise ácida fornece uma mistura equimolar de dois monossacarídeos (glicose e frutose). Esta reação é bastante importante do ponto de vista industrial, visto que os dois monossacarídeos originados da hidrólise, misturados, tem sabor mais doce que a sacarose e por isso é bastante utilizado nas indústrias de doces, sorvete e adoçantes. A hidrólise é representada pela reação abaixo.

C12H22O11 C6H12O6 + C6H12O6

Sacarose Glicose Frutose

Essa reação de hidrólise pode ser acompanhada através de um polarímetro e mostra que a sacarose tem uma rotação de +66,53°, enquanto a glicose apresenta uma rotação de +52,70° e a frutose de -92,40°. Como a mistura dos monossacarídeos tem uma rotação de -39,70° esta reação é históricamente conhecida como inversão da sacarose. Polarimetria, justamente pela inversão da rotação de um valor positivo para o negativo. A sacarose não é um açúcar redutor devido ao fato de não possuir um grupo redutor livre de aldose e cetose (CANO;

ALMEIDA-MURADIAN, 1998).

Glicose e frutose são monossacarídeos que não originam compostos mais simples ao sofrerem hidrólises. Possuem seis átomos de carbono, daí serem chamados de hexose. Como possuem fórmulas moleculares idênticas (C6H12O6), e funções orgânicas diferentes (aldeído e cetona, respectivamente), são chamados de isômeros funcionais. As propriedades químicas desses açúcares se devem em grande parte á presença do grupo carbonilo (C=O) existem em ambos. Dentre estas propriedades químicas a que mais interessa ao setor sucroalcooleiro é que os grupos aldeídos da glicose e cetona da frutose podem ser liberados em presença de cobre ou de outros agentes oxidantes, e assim poderem ser determinados através de técnicas analíticas que envolvam a tritimetria de oxi-redução (OLIVEIRA, 2002).

Entretanto, como ambos reagem com o cobre em soluções alcalinas, os testes não permitem que glicose e frutose sejam determinadas separadamente.

Porém, por serem assim determinados e possuírem tais características, estes açúcares são conhecidos como açúcares redutores. Dentre os métodos que podem ser usados para detecção destes grupos aldeídos e cetonas estão os métodos com o uso de reagentes de Tollens (Ag(NH3)²⁺); do reagente de Fehling (Cu²⁺,

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complexado com o íon tartarato) e o reagente de Benedict (Cu²⁺, complexado com o íon citrato). Na indústria sucroalcooleira o método utilizado é o que faz uso do reagente de Fehling, posteriormente detalhado (DEMIATE et al., 2002).

3.4.1 Fundamentos teóricos da determinação de açúcares redutores pelo método de Lane e Eynon

O uso da oxiredutimetria na indústria sucroalcooleira está fundamentado na propriedade que certos açúcares tem de reduzir o cobre das soluções alcalinas de certos sais metálicos, do estado cúprico para o cuproso, através de seus grupamentos aldeídicos e cetônicos (OLIVEIRA, 2002).

Quem primeiro fez uso da oxiredutimetria na determinação de grupamentos aldeídos e cetonas foi Carl August Trommer no ano de 1841, empregando uma solução de sulfato de cobre em meio alcalino, porém, foi o químico alemão Hermann von Fehling no ano de 1848 quem realmente estabeleceu detalhadamente a função do cobre na reação. Franz von Soxhlet no ano de 1978 também modificou o método preparando separadamente solução de cobre e a solução alcalina de tartarato duplo de sódio e potássio. A esta soluções Soxhlet chamou respectivamente solução de Fehling A e solução de Fehling B, sendo a mistura equitativa destas conhecidas como licor de Fehling. Foi ainda Soxlet quem descobriu que a relação estequiométrica entre o cobre os açúcares redutores varia de acordo com o excesso de cobre durante a reação, e daí se justifica a necessidade da padronização da solução de Fehling A antes de seu uso, usando uma solução padrão de açúcar invertido (OLIVEIRA, 2002).

Finalmente, Lane e Eynon (1923) objetivando facilitar a detecção do ponto final da titulação, introduziram o azul de metileno como indicador pela propriedade de se tornar incolor com um leve excesso de açúcares redutores. A introdução deste indicador tornou o método rápido e mais facilmente empregado. O ponto final da titulação ficou também mais nítido, tornando o método mais confiável e aceito por todos os seguimentos da química analítica (CALDAS, 1998).

O azul de metileno é um indicador interno de oxi-redução que possui um potencial formal de 0,52V. Na forma oxidada possui uma coloração azul, enquanto na forma reduzida é incolor. Na presença de alta alcalinidade, como é o caso das determinações de açúcares redutores pelo método de Lane e Eynon,

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reoxida-se com o ar. Por isso, estas análises necessariamente devem ser a quente, sob fervura branda, evitando assim a reoxidação do azul de metileno durante a titulação (CALDAS, 2005).

Caldas (2005) relata ainda que a redução do cobre do estado cúprico (Cu²⁺) para o estado cuproso (Cu⁺) pelos açúcares redutores é uma reação complicada e de difícil definição estequiométrica, principalmente devido a existência de reações intermediarias ainda não completamente esclarecidas. Outro fato que dificulta o estabelecimento da equivalência estequiométrica é que o cobre pode ser reduzido tanto pelo grupo aldeídico (glicose), quanto pelo grupo cetônico (frutose).

Conforme reação descrita abaixo.

CuSO4 + 2 NaOH Na2SO4 + Cu(OH)2

Hidróxido cúprico Fervendo,

Cu(OH)2 H2O + Cu2O Óxido cuproso

3.5 Automação Industrial

Segundo Alves (2005) as palavras tecnologia e inovação têm expandido suas fronteiras. Com o desenvolvimento tecnológico no auge, o ambiente digital tem sido recriado, principalmente nos arredores da automação industrial.

Essas mudanças vem para atender às necessidades e aos desafios propostos. Tais desafios referem-se desde a economia até o perfil dos profissionais. A eficiência e a redução de custos na produção, bem como o aumento da produtividade e dos lucros, são pontos-chave numa discussão sobre a automatização, já que a instalação de novas tecnologias nos arremete a raciocinar sobre fator conjunto. Os profissionais tem que ser munidos de ferramentas que lhes permitam se adequar a novas técnicas em uma empresa.

O aumento da capacidade computacional dos dispositivos e processos, o surgimento de novas formas de comunicação industrial, com protocolos bem definidos e de desempenho eficiente, o desenvolvimento de sistemas embarcados e implementação em hardware, as novas formas de gerenciamento de informações de produção, enfim, a tecnologia evoluiu assustadoramente, e a automação dispõe de uma variedade de alternativas para uma maior eficácia na resolução de problemas.

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A automação veio com o escopo de maximizar sua eficiência no processo industrial, assim como ampliar a produção com reduzido consumo de energia e matéria-prima.

Ela é um artifício de aplicação de técnicas, softwares e equipamentos específicos em uma determinada máquina ou processo industrial, com o objetivo de aumentar a sua eficácia, expandir a produção com o menor gasto de custos financeiros, emissão de resíduos, qualidade na segurança e relevante utilização da força humana sobre processos ou máquinas (ALVES, 2005).

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4 MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi desenvolvido no CENTEC – Centro de Estudos Avançados em Bioenergia e Tecnologia Sucroalcooleira no Campus II da UNOESTE Presidente Prudente – SP, Para a execução da pesquisa, utilizou-se de caldo de cana extraído, da soqueira do cultivar RB86 7515 (segundo corte), Glicose Padrão Analítico e Frutose Padrão Analítico, solução indicadora de azul de metileno 1%, Fehling A e Fehling B (solução de sulfato cúprico misturado alcalino e tartarato de potássio e sódio) com seus títulos em 0,005, H2O destilada e levada a ebulição a aproximadamente 100°C (para eliminação do oxigênio presente na agua).

As soluções de glicose, frutose e mista (glicose + frutose) foram preparadas com soluções de glicose P.A e frutose P.A. Para o preparo da solução de glicose a 2% pesou-se 20 gramas de glicose PA utilizando um vidro de relógio em balança analítica da marca SHIMADZU modelo AY220 e logo após transferiu-se para um balão volumétrico de 1000 mL. Completou-se com água destilada e previamente fervida para atingir a concentração de 2%, para o preparo das demais concentrações 0,5% e 1%, realizou-se diluições. O mesmo procedimento foi realizado com a solução de frutose, e com a solução mista (glicose + frutose) apenas com diferença de pesar-se 10 gramas de cada, no total de 20gramas para o preparo da solução mista.

O experimento foi executado em três (3) etapas, a saber:

4.1 Etapa 1

Com o preparo das soluções de Glicose, Frutose e Mista de Glicose e Frutose em partes iguais, nas concentrações aferidas de 0,5%; 1,0% e 2,0%.

Avaliou-se a dispersão dos pontos em gráficos de condutividade elétrica (milivoltagem) versus mg (massa gasta), obtidos com o aparelho REDUTEC^® Modelo TE-088, balança digital MARK M4102, bomba peristáltica modelo TE-BP-01 e conexões (Figura1). Para cada análise foram anotados os valores da condutividade elétrica (mv) e massa gasta (mg), na mudança de coloração do azul para vermelho tijolo.

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Figura 1 – Aparelho REDUTEC^® com as adaptações da metodologia proposta.

Fonte: O autor

4.2 Etapa 2

Utilizou-se as soluções mista contendo Glicose e Frutose nas concentrações de 0,5%; 1,0% e 2,0%, selecionadas na etapa 1. As análises foram monitoradas de cinco em cinco segundos, registrando massa gasta e o valor da condutividade elétrica (mv) Para mais exatidão na obtenção destes valores durante o processo de titulação, utilizou-se uma câmera filmadora SONY CYBER-SHOT SUPER STEADYSHOT 5.1 MEGAPIXELS, que registrou a imagem durante a titulação (Figura 2).

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Figura 2 - Utilização da câmera filmadora para realização das analises no aparelho REDUTEC^® com as adaptações da metodologia proposta.

Fonte: O autor.

Através de softwares específicos coletou-se massa gasta e condutividade elétrica (mv), realizando-se correlação nas diferentes concentrações pelo programa Microcal Oringin 6.0. Com os modelos obtidos utilizou-se o programa Table Curve 3D de montagem de superfícies de resposta elaborando o modelo tridimensional (concentração, condutividade elétrica e massa). Posteriormente utilizou-se o programa matemático, Maple 13, para isolar a variável concentração em função da massa gasta e condutividade elétrica (mv).

4.3 Etapa 3

Realizou-se a comparação entre o caldo de cana-de-açúcar da variedade RB 86 7515 e a solução Mista (glicose + frutose) solução determinada que mais se aproximou ao caldo de cana-de-açúcar, em concentrações de 0,5% ; 1,0% e 2,0% , nesta etapa foram realizadas cinco análises para cada concentração com a

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solução mista, e cinco, com o caldo de cana com concentrações distintas, de 0,3%, 0,2% e 0,1%, determinados à partir do método tradicional no REDUTEC^® e para maior precisão realizou-se filmagem. Com a filmagem, as análises registradas foram analisadas detalhadamente de cinco em cinco segundos, anotando-se os valores de condutividade elétrica (mv) e massa gasta (mg), repetindo o mesmo procedimento de cada metodologia (tradicional e proposta). O modelo tridimensional foi validado.

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5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Etapa 1

Com a montagem do aparelho (Figura 1) testou-se a funcionalidade e a praticidade de execução analítica. Determinou-se a vazão de trabalho, de 0,37g s^-1, para melhor desempenho e perfeita funcionalidade, simulando as titulações tradicionais,. Após os testes e ajustes iniciais, executou-se as titulações das soluções de Glicose, Frutose e Mista em concentrações de 0,5%; 1,0% e 2,0%.

Os resultados obtidos para a condutividade elétrica (milivoltagem) e massa gasta foram plotados (Figura3).

Figura 3 - Resultados obtidos para a condutividade elétrica (milivoltagem) e massa gasta

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TABELA 1 – Coeficientes de variação dos resultados obtidos de diferentes concentrações de Frutose, Glicose e Mista para a condutividade elétrica (mv) e massa gasta (mg).

*Conc. = Concentração

Na Tabela 1, observou-se que em média os menores CV (coeficientes de variação) ocorrem na solução mista, e em média nas menores concentrações.

Este menor CV demostra que soluções mistas apresentam maior precisão analítica, pois a reatividade de furanos e piranos são distintas. Contudo leituras em mv são diferentes quando em soluções puras, pois a reação é de mão dupla com velocidade distintas em ambos sentidos. Fato também que explica a maior variação com concentrações mais elevadas, pois o tempo para completar a reação é maior e as variações temporais são lentas podendo promover erros nas leituras (CARREIRA, 2011).

5 2 Etapa 2

As Figuras 4, 5 e 6 apresentam os valores das nove curvas obtidas durante a titulação das três concentrações de soluções mistas, selecionada de acordo com a etapa 1. Nas Figuras 4, 5 e 6 são apresentadas também os polinomiais de regressões e seus valores de (r²), demonstrando significância estatística à 1% realizado com o programa Microcal Oringin 6.0. Esta figura demonstra estatisticamente que existe um modelo matemático entre massa gasta durante a titulação e a condutividade elétrica (mv) da solução de cobre. Os modelos apresentam semelhança matemática, contudo os coeficientes são distintos para concentrações diferentes, apresentando tendência matemática.

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0 2 4 6 8 10 12 14

180 200 220 240 260 280 300 320 340

360 MISTA 0,5%

Y =234,47375-20,6809 X+7,35135 X²-1,0076 X³+0,04666 X⁴ R²= 0,89^**

MILIVOLTAGEM

MASSA(g)

Figura 4 – Condutividade elétrica medida em milivoltagem (mv) em função da massa gasta com as 9 repetições obtidos nas titulações a cada 5 s com a concentração mista de 0,5%.

0 2 4 6 8 10 12 14

180 200 220 240 260 280 300 320 340

360 MISTA 1%

Y =232,77261-15,82755 X+5,98156 X²-0,95807 X³+0,06049 X⁴ R²= 0,76^**

MILIVOLTAGEM

MASSA(g)

Figura 5 - Condutividade elétrica medida em milivoltagem (mv) em função da massa gasta com as 9 repetições obtidos nas titulações a cada 5 s com a concentração mista de 1%.

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0 2 4 6 8 10 12 14

180 200 220 240 260 280 300 320 340

360 MISTA 2%

Y =232,19049-8,12985 X+4,39999 X²-0,68459 X³+0,04914 X⁴ R²= 0,77^**

MILIVOLTAGEM

MASSA(g)

Figura 6 - Condutividade elétrica medida em milivoltagem (mv) em função da massa gasta com as 9 repetições obtidos nas titulações a cada 5 s com a concentração mista de 2%

Na Figura 7, são apresentados os três modelos matemáticos obtidos com o Microcal Oringin 6.0, nas diferentes concentrações testadas. Observa-se que a inclinação das curvas são proporcionais as concentrações de açúcares e ponto de inflexão ocorre na viragem de cor. Pode-se aferir, portanto que existe uma relação entre as curvas e as concentrações de açúcares.

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Figura 7 - Modelos matemáticos obtidos com as concentrações 0,5%, 1,0% e 2,0% de solução mista.

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Utilizou-se o programa Table Curve 3D para fazer modelagem entre curvas e concentrações de açúcar, originando a Figura 8, com uma superfície de resposta e modelo de mV= f(conc.%, massa gasta).

Figura 8 - Modelagem tridimensional das 3 curvas das concentrações de 0,5%, 1,0%

e 2,0%.

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Utilizou-se do pacote matemático Maple 13 para isolar a variável concentração do modelo tridimensional, gerando o modelo Conc (%)= f(mV,massa gasta).

Conc =

Onde:

A = -1,11 * 10¹⁰ + 3,02 * 10⁷* mV

B = 1,22 * 10⁹ * mV – 2,90 * 10¹¹ – 1,14 * 10⁸ * massa – 9,00 * 10⁷ * mV * massa C = -2,27 * 10¹⁹ * mV² + 1,35 * 10²² * mV – 1,90 * 10²¹ * mV * massa + 3,04 * 10¹⁸

* mV² _* massa -1,89 _* 10²⁴ + 2,77 _* 10²³ _* massa

D= -1,15 _* 10²² _* massa² + 7,36 _* 10¹⁹ _* mV _* massa² – 1,07 _* 10¹⁷ _* mV² _* massa²

5 3 Etapa 3

Caldos de cana-de-açúcar foram analisados pelo modelo desenvolvido, sendo aferida a massa gasta e a condutividade elétrica (mv), a cada 5 segundos, durante todo o processo de titulação. As análises foram filmadas de acordo com a metodologia discutida, calculando os valores de AR de acordo com o modelo matemático e os resultados apresentados na Tabela 2.

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TABELA 2 - Valores de AR calculados com o modelo matemático Conc%= f(mV, massa gasta) durante o processo de titulação para três concentrações de caldo diferentes.

CALDO

0,3% AR 0,2% AR 0,1% AR

Repetições Repetições Repetições

T. Seg 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

0 10,5 9,9 8,4 9,9 11,1 3,2 11,7 13,8 9,4 7,5 6,0 15,5 11,1 11,1 15,5 5 7,3 4,7 9,2 5,4 5,6 1,7 4,4 9,4 2,6 3,6 2,2 7,9 4,5 3,7 7,9 10 19,4 10,7 12 16,2 8,5 2,9 2,9 7,1 2,8 2,9 1,9 6,1 3,0 2,7 6,1 15 3,7 3,8 4,2 4,2 4,5 3,8 3,1 6,2 5 4,5 2,1 5,4 2,4 2,2 5,4 20 1,9 1,6 1,9 1,7 1,9 2,1 1,5 2,5 1,8 2,7 2,0 2,0 2,0 2,2 2,0 25 0,9 0,8 0,9 1,0 0,9 1,1 1,0 1,0 0,9 0,9 1,0 1,0 1,2 1,0 1,0 30 0,6 0,4 0,6 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,6 0,6 0,6 0,5 0,6 35 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 40 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,3 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 45 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 50 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 55 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 60 1,1 1,0 0,9 1,0 0,9 0,3 0,3 0,4 0,2 0,3 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

65 0,4 0,4 0,5 0,4 0,5 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

70 0,8 0,8 0,9 0,7 0,7 0,1 0,2 0,2 0,1 0,2

75 1,2 1,3 1,2 1,4 1,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

80 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3

85 0,3 0,4 0,4 0,3 0,4

90 0,3 0,5 0,5 0,5 0,5

95 0,4 0,3 0,2 0,8 0,3

100 0,4 0,9 0,6 1,9 0,9

105 2,0 2,6 2,2 4,9 2,6

110 2,5 7,5 5,6 7,6 7,5

*T.seg = tempo por segundo

Observou-se que os valores calculados são decrescentes atingindo um valor mínimo que coincide com a concentração obtida pela metodologia tradicional.

Os valores de condutividade elétrica (mv) e valores de massa podem ser enviados para um computador e o cálculo executado instantaneamente determinando-se o valor da concentração sem a necessidade de visualização de cor, ou outro atributo qualquer, que esta de acordo com Rodella (2002) que ressalta que cálculos de equilíbrio podem ser resolvidos integralmente pela resolução de um sistema de equações estabelecidas essencialmente com base na massa e na carga elétrica, e que um sistema de várias equações é complicado demais para ser resolvido

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manualmente, e o uso do computador será exigido, a vantagem é eliminar a preocupação decorrentes, desgaste físico do operador, podendo-se dedicar a compreensão dos dados obtidos, maior precisão e maior confiabilidade.

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6 CONCLUSÃO

Existe correlação matemática entre condutividade elétrica (mv), massa gasta (mg) e Açúcar Redutor,

O modelo matemático gerado é eficiente estatisticamente, para solução de baixa concentração de AR (< 0,3%),

Com a utilização do modelo é possível realizar a automação da análise e reduzir o tempo de analise de 5 min para 40s

O modelo eliminará erros humanos causado pelo desgaste físico e visual do operador

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