Avaliação de Métodos de Preparo de Amostra para a Determinação de As, Cd, Pb e Se em Arroz por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

Programa de Pós-Graduação em Química

Dissertação

Avaliação de Métodos de Preparo de Amostra para a Determinação de As, Cd, Pb e Se em Arroz por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de

Grafite

Richard Macedo de Oliveira

Pelotas, 2015.

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II Richard Macedo de Oliveira

Avaliação de Métodos de Preparo de Amostra para a Determinação de As, Cd, Pb e Se em Arroz por Espectrometria de Absorção

Atômica com Forno de Grafite

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Química (ênfase em Química Analítica).

Orientadora: Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro Co-Orientadora: Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira

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III Pelotas, Outubro de 2015.

A banca examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação de Mestrado intitulada “Avaliação de Métodos de Preparo de Amostra para a Determinação de As, Cd, Pb e Se em Arroz por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite”, de autoria de Richard Macedo de Oliveira.

Banca examinadora:

...

Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro (Orientador - UFPel)

...

Prof. Dr. Daniel Lázaro Gallindo Borges (UFSC)

...

Prof. Dr. Rui Carlos Zambiazi (UFPel)

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IV

“Não há nada melhor do que as adversidades. Cada derrota, cada mágoa, cada perda, contém sua própria semente, sua própria lição de como melhorar seu desempenho na próxima vez.”

(Malcolm X)

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V Dedico este trabalho, principalmente, aos meus pais Ricardo e Lorena e aos meus irmãos Aline e Lucas. Muito Obrigado!

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VI AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por todas as bênçãos concedidas e que me acompanha em toda a caminhada até aqui.

Agradeço a minha família por estarem presentes em todos os momentos da minha vida.

Ao meu orientador Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro, pela oportunidade concedida desde a Iniciação Cientifica, confiança depositada em mim para a realização deste trabalho, pelo incentivo e pelos diversos ensinamentos transmitidos. Muito obrigado!

A minha co-orientadora Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira, pelos incentivos e por todos os ensinamentos transmitidos a mim no período de graduação e pós-graduação. Muito obrigado!

Ao Programa de Pós-graduação em Química (PPGQ) da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), pela possibilidade de realização deste trabalho.

Agradeço a CAPES pelo suporte financeiro.

Ao meu colega de laboratório Eliézer Oreste, por todos os ensinamentos transmitidos e amizade estabelecida desde o período de Iniciação Científica, muito obrigado!

A minha grande companheira Ana Clara, pela grande ajuda na realização da parte experimental deste trabalho, pelo grande companheirismo em todos os momentos e incentivo para o progresso, muito obrigado!

Aos colegas de laboratório, Aline, Meibel, Camila Oliz, Eliete, Marcelo, Ane, Leila e Débora, em especial ao Alexander, Camila Pereira e Daísa pela amizade e bons momentos vividos neste período.

Por fim, a todos as pessoas que contribuíram de alguma forma para a realização deste trabalho, meu eterno agradecimento.

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VII RESUMO

Título: Avaliação de Métodos de Preparo de Amostra para a Determinação de As, Cd, Pb e Se em Arroz por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite.

Autor: Richard Macedo de Oliveira

Orientador: Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro Co-orientadora: Profa

.

Dra. Mariana Antunes Vieira

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre três métodos diferentes de preparo de amostras para a determinação de As, Cd, Pb e Se em arroz por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite. Foram estudadas amostras cruas e cozidas, do tipo branco, parboilizado e integral, com os seguintes procedimentos: (1) digestão com HNO3 em bloco digestor com sistema de refluxo, (2) dissolução com HNO3 em banho ultrassônico e (3) solubilização alcalina com hidróxido de tetrametilamônio. O preparo de amostra no sistema de refluxo foi estatisticamente otimizado, estabelecendo a massa de amostra de 750 mg, volume de HNO3 em 10 mL, aquecimento a 120 °C e tempo de decomposição por 90 min. Nas amostras de arroz comercializadas no Brasil, foram encontradas concentrações médias de 12,0 ± 4,0 e 177,0 ± 64,0 ng g-1 para Cd e Pb, respectivamente, enquanto que para As e Se as concentrações ficaram abaixo do LD dos métodos avaliados. Observou-se que após o cozimento do arroz, há uma diminuição na concentração de Cd de até 61%. A exatidão das metodologias foi assegurada através da análise de um material de referência certificada (NIST 1568a) e os resultados foram concordantes com os valores esperados. Além disto, o teste de adição também foi realizado e as recuperações foram entre 80 a 115% para todos os elementos nas amostras de arroz com e sem o cozimento. Todos os procedimentos avaliados apresentaram resultados exatos e precisos, no entanto o sistema de refluxo mostrou ser mais eficiente, simples e seguro, características necessárias para implementação em análise de rotina, apresentando limites de detecção de 77,2; 1,0; 35,5 e 192,1 ng g-1 para o As, Cd, Pb e Se, respectivamente.

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VIII Palavras-Chave: Arroz, contaminantes inorgânicos, preparo de amostra, GF- AAS.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA Dissertação de Mestrado em Química

Pelotas, Setembro de 2015.

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IX ABSTRACT

Title: Evaluation of sample preparation methods for the determination As, Cd, Pb and Se in rice by GF AAS.

Author: Richard Macedo de Oliveira

Academic Advisor: Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro Academic Co-advisor: Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira

This study presents a comparative evaluation of three different methods for sample preparation of rice for As, Cd, Pb, and Se determination by graphite furnace atomic absorption spectrometry. Raw and cooked white rice, parboiled rice, and brown rice samples were studied with the following procedures: i) HNO3 decomposition in an open system with “cold finger”, ii) HNO3 dissolution in ultrasonic bath, and iii) alkaline solubilization with TMAH. Sample preparation using the reflux system was optimized: 750 mg of sample, 10 mL of HNO3, heating at 120 ºC, and 90 minutes of decomposition time. In rice samples from Brazil, average concentrations of 12.0 ± 4.0 and 177.0 ± 64.0 ng g-1 for Cd and Pb were found, respectively, while for As and Se, the concentrations were below the limit of detection of the studied methods. After cooking, samples presented a maximum decrease of 61% in Cd concentration. The method accuracy was assured by the analysis of a certified reference material (NIST 1568a), and results were in accordance with the certified values. A recovery test was carried out and results ranged between 80 and 115% for all analytes in rice samples, before and after cooking. All evaluated procedures presented accurate and precise results; however, the decomposition with reflux system proved to be more effective, simple and safe. Such characteristics are necessary for application in routine analysis with detection limits of 77.2; 1.0; 35.5 and 192.1 ng g-1 for As, Cd, Pb and Se, respectively.

Keywords: rice, inorganic contaminants, sample preparation, GF-AAS.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA Master Dissertation in Chemistry

Pelotas, October, 2015.

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X LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Produção de arroz por município...05

Figura 2. Projeções do consumo, produção e importação de arroz no Brasil de 2011/12 até 2021/22...06 Figura 3. Constituintes do grão de arroz...08

Figura 4. Diagrama esquemático: a) Tubo do dedo frio.; b) Tubo de digestão.; c) dedo frio acoplado ao tubo digestor...28 Figura 5. Novo design do dedo frio como sistema de refluxo...30 Figura 6. Curvas de pirólise e atomização para 0,5 μg L-1 de Cd. (A) está na presença de HNO3, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd.

(B) está na presença de TMAH, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd...46 Figura 7. Curvas de pirólise e atomização para 20,0 μg L-1 de Pb. (A) está na presença de HNO3, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd.

(B) está na presença de TMAH, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd...48 Figura 8. Curvas de pirólise e atomização para 50,0 μg L-1 de Se. (A) está na presença de HNO3, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd.

(B) está na presença de TMAH, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd...50

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XI Figura 9. Curvas de pirólise e atomização para 25,0 μg L-1 de As. (A) está na presença de HNO3, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd.

(B) está na presença de TMAH, solução aquosa sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd; em meio da amostra sem e com a adição de 3 μg de Mg + 5 μg de Pd...52 Figura 10. Diagrama de pareto para Cd (A), As (B) e Pb (C) a um nível de confiança de 95% e Se (D) a um nível de confiança de 90%...53 Figura 11. Superfícies de Resposta: (A) As, combinação de massa (mg) e tempo (min.) e (B) Cd, combinação de temperatura (°C) e massa (mg) e as respectivas

absorvâncias...55 Figura 12. Superfícies de Resposta: (C) Se, combinação de massa (mg) e temperatura (°C) e (D) Pb, combinação de vol. ácido HNO3 (mL) e massa (mg) e as respectivas absorvâncias...57

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XII LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Formas de comercialização e descrição do beneficiamento do arroz no Brasil...07 Tabela 2. Principais espécies de Arsênio presentes em alimentos...13 Tabela 3. Condições operacionas para a determinação de Cd, Pb, Se e As...34 Tabela 4. Programa de tempo e temperatura do forno de grafite para a determinação de As, Cd, Pb e Se em amostras de arroz tratadas em meio de HNO3 e TMAH...35 Tabela 5. Principais características do arroz branco, parboilizado e integral...36 Tabela 6. Parâmetros e valores a serem otimizados para decomposição com HNO3 em sistema de refluxo...38

Tabela 7. Combinações e Respostas experimentais

DCCR...40 Tabela 8. Parâmetros de mérito para Cd, Pb, Se e As, para os três procedimentos estudados...61 Tabela 9. Resultados de concentração total de Cd e Pb nas amostras de arroz branco, parboilizado e integral cru por GF AAS (n=3)...63 Tabela 10. Resultados de concentração total de Cd e Pb nas amostras de arroz branco, parboilizado e integral cozido por GF AAS (n=3)...65

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XIII Tabela 11. Contribuição do consumo de arroz para a ingestão de Cd e Pb...66 Tabela 12. Resultados obtidos para o teste de adição e recuperação de As, Cd, Pb e Se nas amostras de arroz cru por GF AAS, (n=3)...69 Tabela 13. Resultados obtidos para o teste de adição e recuperação de As, Cd, Pb e Se nas amostras de arroz cozidas por GF AAS, (n=3)...70 Tabela 14. Resultados obtidos para o As, Cd, Pb e Se para a amostra CRM NIST 1568a por GF-AAS (Valores em ng g-1, X ± SD (RSD, %)), (n=3)...71

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XIV LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AAS: Espectrometria de absorção atômica (em inglês, Atomic Absorption Spectrometry)

ANVISA: Agência Nacional de Vigilância Sanitária CRM: Material de Referência Certificado

DCCR: Delineamento Composto Central Rotacional

EFSA: Autoridade Europeia de Segurança Alimentar (em inglês, European Food Safety Authority)

Embrapa: Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária

F AAS: Espectrometria de absorção atômica em chama (em inglês, Flame Atomic Absorption Spectrometry)

FAO: Organização das Nações Unidas para a Alimentação e Agricultura (em inglês, Food and Agriculture Organization of the United Nations)

FAOSTAT: Divisão de Estatística da FAO (em inglês, The Statistics Division of FAO)

GEMS/food: Sistema de Monitoramento Global do Meio Ambiente - Contaminação de Alimentos Acompanhamento e Avaliação do Programa (em inglês, Global Environment Monitoring System - Food Contamination Monitoring and Assessment Programme)

GF AAS: Espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (em inglês, Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry)

IARC: Agência Internacional para Pesquisa em Câncer (em inglês, International Agency for Research on Cancer)

IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

ICP OES: Espectrômetria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (em inglês, Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry)

JECFA: Comitê de Especialistas da FAO/WHO em Aditivos Alimentares (em inglês, The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives)

LD: Limite de detecção LQ: Limite de quantificação

MAPA: Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

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XV ONU: Organização das Nações Unidas (em inglês, United Nations Organization)

POF: Pesquisa de Orçamentos Familiares ppb: partes por bilhão

ppt: partes por trilhão PTFE: Poli(tetrafluoretileno) RSD: Desvio padrão relativo

RSM: Metodologia de superficie de resposta

STPF: Forno, Plataforma com Temperatura Estabilizada (em inglês, Stabilized Temperature Platform Furnace)

USDA: Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (em inglês, United States Department of Agriculture)

USEPA: Agência de Proteção Ambiental Americana (em inglês, US Environmental Protection Agency)

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XVI SUMÁRIO

RESUMO...VII

ABSTRACT...IX

LISTA DE FIGURAS...XI

LISTA DE TABELAS...XIII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...XIV

1. INTRODUÇÃO...01

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...04

2.1. Produção e consumo de arroz...04

2.2. Beneficiamento do arroz...06

2.3. Importância nutricional...09

2.4. Contaminantes inorgânicos no arroz...10

2.4.1. Arsênio (As)...12

2.4.2. Cádmio (Cd)...16

2.4.3. Chumbo (Pb)...18

2.4.4. Selênio (Se)...20

2.5. Espectrometria de Absorção Atômica (AAS)...22

2.5.1. Espectrometria de Absorção Atômica com forno de grafite (GF AAS)...22

2.6. Etapa de Preparo de amostras...24

2.6.1. Métodos de Preparo de amostras de arroz...26

2.6.2. Decomposição ácida com sistema de refluxo...28

2.6.3. Dissolução assistida por ultrassom...32

3. MATERIAIS E MÉTODOS...34

3.1. Instrumentação...34

3.2. Reagentes...35

3.3. Amostras...36

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XVII

3.4. Procedimento de preparo de amostra...37

3.4.1.Decomposição com HNO3 em sistema de refluxo (Procedimento 1)...38

3.4.1.1. Otimização do método...38

3.4.1.2. Aplicação do método...41

3.4.2. Avaliação da dissolução com HNO3 em banho ultrassônico...41

3.4.2.1. Decomposição com HNO3 em banho ultrassônico (Procedimento 2)...42

3.4.3. Avaliação da dissolução com TMAH em banho ultrassônico...42

3.4.3.1. Solubilização Alcalina com TMAH (Procedimento 3)...43

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO...44

4.1. Otimizações do programa de aquecimento do forno de grafite...44

4.1.1. Curvas de pirólise e atomização de Cd...45

4.1.2. Curvas de pirólise e atomização de Pb...47

4.1.3. Curvas de pirólise e atomização de Se...48

4.1.4. Curvas de pirólise e atomização de As...50

4.2. Otimização da decomposição com HNO3 em sistema de refluxo...52

4.2.1. Superfícies de Respostas das otimizações...54

4.3. Resultados analíticos: Parâmetros de mérito...58

4.3.1. Limite de Detecção (LD) e Limite de Quantificação (LQ)...59

4.4. Aplicação dos procedimentos para a determinação da concentração total de Cd, Pb, Se e As em arroz cru e cozido...62

4.4.1. Contribuição da ingestão mensal e diária de arroz para a exposição de Cd e Pb...65

4.5. Avaliação da Precisão e Exatidão...67

5. CONCLUSÕES...73

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...74

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1 1. INTRODUÇÃO

O arroz é uma ”commodity” de extrema importância para a segurança alimentar mundial, pois é utilizado como alimentação para aproximadamente 50% da população mundial [1]. O que é composta por uma matriz complexa, pois em sua composição estão presentes carboidratos, principalmente amido, água, proteínas (com 18 aminoácidos essenciais), fibras, gordura, vitaminas (B1, B2 e B3) e minerais [2]. Os países da Ásia são os principais produtores e consumidores deste cereal contribuindo com cerca de 90,7% da produção mundial. O Brasil encontra-se entre os dez maiores produtores do cereal com cerca de 1,7% de toda produção mundial e, além disto, este alimento é diariamente consumido pelos brasileiros [3].

Apesar de trazer muitos benefícios ao organismo, a ingestão de arroz também pode ser perigosa aos seres humanos, pois as culturas de arroz podem ser expostas a diversos contaminantes inorgânicos, tais como, As, Cd, Pb e Se [4-7]. Dependendo da concentração, estes elementos se tornam prejudiciais ao organismo humano, por estarem associados ao desenvolvimento de câncer em diversos órgãos, efeito prejudicial no sistema nervoso, taquicardia, além de auxiliar na perda de cabelos, unhas e dentes [8- 11]. Ressalta-se que o Se é um elemento essencial para animais e seres humanos, tendo a capacidade de proteger o organismo contra células cancerosas; no entanto, se ingerido em excesso pode causar efeitos tóxicos aos seres humanos [7, 12]. As ações antropogênicas são as principais fontes de contaminação destes elementos no arroz, destacando-se o uso de fertilizantes e agrotóxicos. A preocupação com os contaminantes inorgânicos devido ao uso de fertilizantes e agrotóxicos nas culturas de arroz se deve também ao fato que em 2008 o Brasil se tornou o maior consumidor de agrotóxicos do mundo [13].

Desta forma, fica evidente que a quantificação As, Cd, Pb e Se é de extrema importância para a prevenir os riscos que a ingestão de arroz pode trazer aos seres humanos. Para realizar a quantificação destes elementos, que geralmente encontram-se em nível de partes por bilhão (ppb) e/ou partes por trilhão (ppt), em matrizes complexas como de alimentos, uma extensiva preparação da amostra é necessária, para que os elementos possam estar em

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2 formas aptas em solução para serem compatíveis com as técnicas analíticas instrumentais [14]. Entre as técnicas instrumentais, a espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GF AAS – em inglês Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) se torna atrativa para a quantificação de elementos traço em amostras de arroz, pela alta sensibilidade, baixos limites de detecção (LD), além de uma pequena quantidade de amostra necessária para análise, em torno de 20-50 µL [15, 16].

Como preparo de amostra de arroz, é amplamente encontrada na literatura a decomposição em sistemas abertos por via úmida em meio ácido [17-22]. No entanto, estes procedimentos são, na maioria das vezes, morosos, levam a evaporação dos ácidos empregados (tendo que fazer constantes reposições de reagentes), há grandes riscos de contaminações externas (aumentando os erros sistemáticos) e perdas de analitos por volatilização [21, 23, 24]. A decomposição ácida em sistemas fechados, principalmente em forno micro-ondas, é amplamente utilizada e o mais recomendado, visto que uma série de inconvenientes encontrados nos sistemas abertos são solucionados, além de serem procedimentos mais rápidos, seguros e reduzirem o risco de contaminação e volatilização. Neste procedimento, pode-se utilizar apenas soluções concentradas de HNO3 ou com a mistura de H2O2 em diferentes proporções para complementação da eliminação da matéria orgânica [4, 25- 28]. Entretanto, os procedimentos envolvendo sistemas fechados de decomposição não são simples, muitas vezes apresentam uma baixa frequência analítica, além de serem equipamentos sofisticados, caros e que necessitam de profissionais altamente qualificados, fazendo com que muitos laboratórios não utilizem esta tecnologia em análise de rotina. Desta forma, alternativas de preparo de amostras que possam ser simples e eficientes devem ser mais bem estudadas [29].

Como uma alternativa, trabalhos recentes vêm demonstrando a eficiência da digestão ácida em bloco digestor com sistema de refluxo, o qual utiliza o dedo frio refrigerado acoplado a cada tubo digestor, promovendo a condensação dos vapores, evitando perdas por volatilização dos reagentes e de elementos voláteis, além de diminuir consideravelmente o risco de contaminação, pois se trata de um sistema semiaberto que opera com pressão positiva. Além disto, este sistema permite trabalhar com taxas de aquecimento

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3 do bloco digestor acima da temperatura de ebulição dos ácidos utilizados, melhorando a mineralização das amostras e reduzindo o tempo do preparo.

Esse sistema já foi avaliado, por exemplo, na decomposição de amostras biológicas de carne bovina para a determinação de Cd, Pb e Sn [29], de peixe para a determinação de Hg [30] e também em amostras de arroz para a quantificação de Cu, Fe, Mn e Zn [31]. Porém, ainda não foi avaliada a eficiência deste sistema na decomposição de amostras de arroz para a quantificação de elementos voláteis em baixas concentrações, tais como, As, Cd, Pb e Se.

Em adição, também se torna atrativo a avaliação da dissolução assistida por ultrassom em meio ácido e em meio básico, pois os procedimentos muitas vezes são simples, de baixo custo e aplicáveis a vários tipos amostras [32, 33].

As amostras de arroz já foram submetidas para extrações de minerais em meio de TMAH juntamente com EDTA, bem como para extração de As total em meio alcalino por ondas ultrassônicas [34, 35]. Porém, estes dois métodos se tratam de extrações e não da dissolução total da amostra, visto que em muitos relatos as extrações dos elementos não são completas e comprometem os resultados finais [36-38]. O uso da dissolução ácida em ultrassom também deve ser melhor explorado, pois há poucos relatos em amostras de arroz.

Desta forma, o objetivo deste trabalho foi de realizar um estudo comparativo entre três métodos alternativos de preparo das amostras de arroz (branco polido, parboilizado e integral) para a determinação de As, Cd, Pb e Se por GF AAS, utilizando a digestão ácida com sistema de refluxo e as dissoluções assistidas por ultrassom em meio de HNO3 e TMAH. Além disto, tornou-se interessante avaliar o comportamento destes elementos após o cozimento do arroz.

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4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Produção e consumo de arroz

Segundo a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e Agricultura (FAO – em inglês Food and Agriculture Organization of the United Nations) no ano de 2013 houve uma produção mundial de aproximadamente 744,9 milhões de toneladas de arroz em casca (496,6 milhões de toneladas do grão beneficiado), cerca de 1,1 % por cento a mais do que a produção de 2012 [3]. Os países asiáticos (principalmente China, Índia, Indonésia e Bangladesh) destacam-se como os maiores produtores mundiais de arroz com 675,8 milhões de toneladas em casca, ou seja, 90,7% de toda produção mundial [3].

Por sua vez, o Brasil destaca-se como o único país não asiático entre os dez maiores produtores mundiais de arroz, com 1,7% de toda a produção mundial [39].Na safra de 2013/2014 o Brasil produziu cerca de 12,2 milhões toneladas de arroz, sendo que 78,2% desta produção foi realizada na região sul do país, nos estados do Rio Grande do Sul (RS) com produção de 8.333,9 toneladas (68,2% de toda produção nacional), Santa Catarina (SC) 1.058,2 toneladas (8,6%) e Paraná (PR) 170,7 toneladas (1,4%). Os estados do Tocantins (TO), Mato Grosso (MT) e Maranhão (MA), têm grande representatividade na produção nacional, com 573,5 (4,7% de toda produção nacional), 537,1 (4,4%) e 474,5 (3,9%) mil toneladas, respectivamente [40]. A Figura 1 apresenta o mapa do Brasil com os municípios que produzem mais de 1.000 toneladas.

O cultivo de arroz em várzeas é principalmente realizado nos estados do RS e SC, os quais são os maiores produtores de arroz irrigado do Brasil [41]. A produção anual nestes dois estados se mantém constante no decorrer dos anos, pelo fato que nos sistemas em várzeas as variações climáticas são pouco influenciáveis na formação do grão. Por outro lado, o sistema predominante no Centro-Oeste brasileiro é realizado por meio de terras altas, que necessita de umidade, proveniente principalmente de chuvas, para a produção do grão [41]. Desta forma, se a média anual das precipitações pluviais for baixa em uma região na qual predomina a produção em sequeiros, haverá um decréscimo significativo na produção de arroz [42].

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5 Figura 1: Produção de arroz por município. Fonte: Conab/IBGE [40].

Assim como na produção, o consumo de arroz no mundo está centrado no continente asiático, principalmente nos principais produtores mundiais do cereal, por se tratar de um alimento com uma ligação forte na cultura da região sudeste da Ásia. Segundo ao último levantamento de dados da Divisão de Estatística da FAO (FAOSTAT - em inglês The Statistics Division of FAO), no ano de 2011 o consumo mundial médio foi de aproximadamente 148 g/habitante/dia de arroz beneficiado, sendo que o continente asiático consumiu cerca de 213 g/habitante/dia [3].

Devido ao fato de que o Brasil tem grande destaque na produção mundial de arroz, o país consegue suprir a demanda interna. A partir dos resultados da pesquisa realizada pelo Departamento de Agricultura dos

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6 Estados Unidos (USDA - em inglês United States Department of Agriculture) no ano de 2014, o Brasil consumiu cerca de 7,85 milhões de toneladas de arroz beneficiado, com produção de 7,89 milhões de toneladas do grão beneficiado [39]. Assim, diariamente cada habitante brasileiro tem consumo médio de 94 g de arroz beneficiado [3]. A Figura 2 apresenta a projeção de produção, consumo e importação do Brasil do ano de 2011/12 até 2021/22 realizada pelo Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento (MAPA), juntamente com a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa) [43].

Figura 2: Projeções do consumo, produção e importação de arroz no Brasil de 2011/12 até 2021/22. Fonte: MAPA e Embrapa [43].

2.2. Beneficiamento do arroz

Devido à sua estrutura rígida, o arroz não pode ser consumido em sua forma natural. Assim, deve passar por um processo que o torne adequado para consumo, denominado beneficiamento [44]. Após o beneficiamento, o cereal deve adquirir qualidades físicas, fisiológicas e sanitárias que possibilitem boa classificação em padrões estabelecidos pela legislação [44].

De acordo com o regulamento técnico do arroz no Brasil aprovado pelo MAPA, descrito na instrução normativa nº 6, o arroz beneficiado é definido como o produto maduro que foi submetido a algum processo de beneficiamento e se encontra desprovido, no mínimo, da sua casca [45].

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7 No Brasil há quatro principais formas de arroz beneficiado que são cosumidas e comercializadas (Tabela 1), o arroz branco polido, parboilizado, parboilizado integral e integral. Destas quatro formas, o arroz branco polido é o que tem aceitação predominante pelos consumidores em todas as partes do Brasil. Fatores como aparência do grão cru e o seu comportamento de cocção são o que o torna a forma de arroz escolhida pela maioria dos consumidores brasileiros. Embora os valores nutritivos do arroz integral e parboilizado sejam mais elevados em relação ao polido branco, sua aceitação no mercado ainda é modesta [44].

Tabela 1: Formas de comercialização e descrição do beneficiamento do arroz no Brasil.

Formas de comercialização Descrição do beneficiamento Arroz descascado ou arroz integral

(esbramado)

Produto do qual somente a casca foi retirada possuindo ainda ao redor de

10% de farelo.

Arroz polido Produto desprovido de germe e pericarpo (casca e farelo) Arroz parboilizado integral Produto submetido ao processo de

parboilização e apenas descascado.

Arroz parboilizado Produto submetido ao processo de parboilização, descascado e polido.

Fonte: Adaptado da Instrução Normativa Nº 6 (IN 6/2009) [45].

Para a obtenção do arroz branco polido (endosperma), todas as camadas externas (pericarpo, tegumento, camada de aleurona e embrião) são retiradas e três etapas básicas são necessárias para que isso ocorra. A primeira etapa tem como objetivo a remoção da casca, que constitui cerca de 20% do grão, permanecendo o farelo de arroz (gérmen e pericarpo), e assim, obtêm-se o arroz integral [46]. Na segunda etapa, o gérmen (embrião) e o pericarpo são retirados (componentes do farelo de arroz que representam 8- 12% do grão) [46]. Posteriormente, ocorre o polimento do grão com o objetivo de melhorar a aparência e o gosto do arroz e finalmente é obtido o arroz

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8 branco polido, constituído principalmente do endosperma [44, 46]. A Figura 3 apresenta as principais partes que constituem o grão de arroz.

Figura 3: Constituintes do grão de arroz [46].

O processo de parboilização do arroz foi introduzido industrialmente com o objetivo inicial de reduzir a quebra do endosperma do arroz, para aumentar o rendimento do grão, tornando-se assim, mais lucrativo para as indústrias de beneficiamento [47]. Entretanto, nos países onde a alimentação era constituída basicamente de arroz, foi constatado que as pessoas que haviam consumido arroz parboilizado não eram afetadas pelo beribéri, doença causada pela deficiência de vitamina B1 (tiamina). Posterior a este fato, foi comprovado que havia grandes concentrações de alguns nutrientes, principalmente vitaminas e minerais no cereal parboilizado [47].

A parboilização do arroz consiste em um processo hidrotérmico, no qual a grão de arroz com casca é imerso em água potável para encharcamento em temperaturas superiores a 58 °C. Desta forma, a água quente penetra na casca do grão por capilaridade, preenchendo os espaços vazios. Na medida em que

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9 a água é absorvida pelo cereal, vitaminas e sais minerais que se encontram na película e no gérmen penetram para o interior do grão. Posterior a isto, ocorre a gelatinação parcial ou total do amido em autoclave e secagem, auxiliando na fixação de diversos minerais no interior do grão, e ao final o grão resultante do processo é descascado podendo ser comercializado na forma parboilizado polido, no qual tem maior aceitação, ou na forma parboilizado integral [47, 48].

2.3. Importância nutricional

O grande valor nutricional do arroz é o que o constitui como um dos cereais básicos presentes na dieta humana [2]. Trata-se de um alimento altamente energético, pois é ótima fonte de carboidratos, principal constituinte do arroz (com cerca de 90% de amido, além de açucares livres e fibras) [2, 49].

De modo geral, este cereal representa aproximadamente 20% da ingestão mundial de energia e 15% da ingestão de proteína. No Brasil o cereal contribui com cerca de 20% da ingestão calórica diária [50, 51]. Entre os componentes que constituem o grão de arroz, o farelo é o mais nutritivo, com grandes concentrações de proteínas, sais minerais, fibras dietéticas solúveis e insolúveis e vitaminas do complexo B [52, 49].

Desta forma, o farelo está presente apenas no arroz integral, e uma série de pesquisas relatam atributos relevantes em relação à saúde que a ingestão diária desta forma de cereal ou apenas do farelo isolado podem contribuir. Em geral, estas pesquisas estão relacionadas com a prevenção e combate de doenças crônicas, mostrando que o arroz integral pode diminuir o risco de diabetes tipo 2, regular o metabolismo lipídico, controlar a síndrome metabólica e doenças cardiovasculares, além de exibir atividade anticâncer [53-59]. Recentemente, efeitos sobre a resposta imune e na proteção contra agentes patogênicos entéricos, tais como a Salmonela, vêm ganhando destaque [60, 61].

Sob o ponto de vista nutricional, o arroz integral e parboilizado reúnem grandes propriedades que trazem benefícios à saúde humana. Além, de ser uma ótima fonte de nutrientes primordiais para funcionalidades vitais, auxiliando na ingestão diária de minerais, possui grandes concentrações de vitaminas do complexo B, também conhecidas como vitaminas hidrossolúveis.

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10 As vitaminas predominantes no arroz são a vitamina B1 (tiamina), vitamina B2 (riboflavina) e a vitamina B3 (niacina) [2, 62, 63].

A concentração de proteínas, gordura, cinzas e minerais difere entre as formas de arroz. Em uma porção de 100 g o arroz branco contêm aproximadamente 6,7 % de proteínas 0,5 g de cinza e 0,4 % de gordura. Em uma mesma porção, o arroz parboilizado e integral contêm 7,4 e 7,5% de proteínas, 0,7 e 1,2 g de cinza e 0,3 e 1,9% de gordura, respectivamente. Em relação à composição mineral, os maiores constituintes são o cálcio (Ca), fósforo (P), sódio (Na) e potássio (K). Em média a concentração de Ca, P, Na, K é no arroz branco é de 24, 94, 5 e 92 mg, respectivamente. No arroz parboilizado e integral a concentração, em média, destes mesmos elementos é de 60 e 32 mg (Ca), 200 e 221 mg (P), 9 mg (Na) e 150 e 214 mg (K), respectivamente [49].

2.4. Contaminantes inorgânicos no arroz

Segundo o relatório divulgado em 2013 pela Organização das Nações Unidas (ONU – em inglês United Nations Organization), intitulado como

“Maternidade precoce: enfrentando o desafio da gravidez na adolescência”, o mundo alcançou a marca de 7,162 bilhões de habitantes. Na edição de 2011, intitulado como “Situação da Polução Mundial”, a expectativa para os anos de 2050 e 2100 é que a população ultrapasse 10,6 e 15 bilhões de pessoas, respectivamente [64, 65].

Estes dados populacionais são de grande preocupação para ONU, pois haverá um grande desafio para produzir enormes quantidades de alimentos, a fim de suprir o número de pessoas, principalmente em países subdesenvolvidos e em desenvolvimento. Relacionado a isto, o arroz é considerado um alimento de segurança mundial e suas projeções de produção também crescem a cada ano. Porém, se levar em consideração o consumo médio mundial de arroz em 2011 (148g/habitante/dia), a quantidade populacional projetada para 2050 (10,6 bilhões de pessoas), e fazer uma expectativa não oficial, em 37 anos vão ser necessários no mínimo cerca de 1568,8 milhões de toneladas de arroz para suprir a quantidade de pessoas em

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11 2050, ou seja, aproximadamente 110% a mais da produção atual (cerca de 744,9 milhões de toneladas).

Como prevenção a este fato, hoje já existe a pratica da agricultura moderna, no qual impulsionou uma grande produção de alimentos desde a última metade do século XX, aumentando o rendimento de grãos básicos, como o arroz e trigo [13]. Esta expansão agrícola foi alcançada principalmente pelos avanços científicos e inovações tecnológicas, que abrange o desenvolvimento de novas plantas, o uso de fertilizantes sintéticos e agrotóxicos (inseticidas, fungicidas e herbicidas) para a eliminação de pragas de difícil controle, além do crescimento de grandes infraestruturas de irrigação [13]. Entretanto, se houver o uso indiscriminado ou inadequado de agroquímicos nas lavouras arrozeiras, grandes concentrações de contaminantes inorgânicos como arsênio (As), cádmio (Cd), chumbo (Pb) e selênio (Se), podem contaminar e poluir o solo, a água utilizadas para a irrigação do arroz, rios e lagos, matar diversos seres vivos desses ecossistemas, além entrar na cadeia alimentar humana através da ingestão do arroz [66-68].

No ano de 2008, o Brasil tornou-se o maior consumidor de agrotóxicos, ultrapassando inclusive os Estados Unidos da América (EUA), somando um total de vendas de US$ 7,125 [13]. Em reflexo deste fato, Mattos e colaboradores [69] encontraram cerca de vinte e um (21) resíduos de agrotóxicos em áreas de produção de arroz integrado na planície costeira externa e fronteira oeste do RS, no período de 2007/2008, em um estudo de monitoramento. Anteriormente, havia sido encontrado a presença de resíduos de agrotóxicos em lavouras de arroz irrigado com água proveniente da Lagoa Mirim em concentrações acima de 7 μg L-1, que é o valor máximo permitido pela Agência de Proteção Ambiental Americana (USEPA – em inglês US Environmental Protection Agency) [70]. Outros estudos mostram a presença de resíduos de agrotóxicos provenientes da água utilizada na drenagem das lavouras de arroz em todas as regiões produtoras do RS, principalmente na depressão central, na região sul do estado [71, 72]. Como na cultura de arroz irrigado há a necessidade de inundar as áreas de cultivo, um risco potencial de contaminação dos mananciais com diversos metais maléficos aos seres vivos de modo geral, a partir de agrotóxicos e fertilizantes é preocupante [13]. Estes

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12 relatos agravam ainda mais a preocupação com a contaminação por metais potencialmente tóxicos, tais como, As, Cd, Pb e Se a partir do arroz proveniente de lavouras arrozeiras da região sul do RS, pelo possível uso excessivo de fertilizantes e corretivos do solo. Vale ressaltar que muitos agroquímicos passam por uma foto-decomposição e se degradam naturalmente no meio ambiente, mas os elementos químicos podem permanecer por muito mais tempo até serem transportados ou absorvidos pelas plantas e animais.

2.4.1. Arsênio (As)

Naturalmente, o arsênio (As) está presente em rochas ígneas, de minério e sedimentares em diversas formas, como por exemplo, sulfuretos e arsenietos. No entanto, estas formas podem sofrer transformação através da ação microbiologica, mudança nas condições geoquimicas ou por diversos processos ambientais [73]. A presença e a liberação de As na atmosfera está diretamente ligado com os fenomenos naturais e ações atropogênicas, sendo que a proporção pode chegar a 60:40, respectivamente [73]. Como fonte natural, o vulcanismo libera cerca de 17 mil toneladas de As por ano, enquanto que 26 mil toneladas por ano são liberados por processos de volatilização. Por outro lado, a ação antropogênica é um dos principais fatores que contribui para contaminação por As no meio ambiente. Como principais fontes destacam-se a mineração, queima de combustíveis fósseis, fundições de metais não ferrosos, a produção de vidro, a produção de semicondutores, o uso de aditivos para alimentos de aves e suínos, a produção e utilização de pesticidas arsenicais e queima de madeira preservada [73].

Assim, fica evidente que a alta liberação de As por diversas atividades relatadas pode contribuir com a poluição ambiental em diversos meios, seja ele aquático ou terrestre. Além disto, o elemento pode facilmente entrar em contato com os seres humanos, visto que compostos são facilmente absorvidos por via oral ou por inalação. O poder de absorção de As nos seres humanos é dependente da solubilidade caracteristica das diferentes espécies que o elemento apresenta [74]. Entre as diversas espécies químicas, ganham maior atenção aquelas que podem apresentar algum efeito maléfico ao organismo

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13 humano, tais como as forma orgânicas, o ácido monometilarsônico (MMA), ácido dimetilarsínico (DMA), arsenobetaína (AsB) e arsenocolina (AsC) (formas orgânicas), além das formas inorgânicas que apresentam maior efeito tóxico, como, os íons arsenato (As+5) e arsenito (As+3) [75-76]. Na Tabela 2 estão descritas as principais espécies de As, com suas respectivas fórmulas moleculares.

Tabela 2: Principais espécies de Arsênio presentes em alimentos.

Composto Fórmula

Arsina Arsênito

As (III) Arsênato

As (V)

Ácido monometilarsônico MMA (V)

Ácido dimetilarsínico DMA (V)

Arsenobetaína (AsB)

Arsenocolina (AsC)

De acordo com Burguera e colaboradores [77], a ordem decrescente da toxicidade dos compostos de As é: arsina > arsenito > asenato > ácidos alquilarsênicos > compostos de arsônio > arsênio elementar. Entre as formas, o As inorgânico mostra-se 100 vezes mais toxico do que as formas parcialmente

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14 metiladas (MMA e DMA) [80]. Em relação à fração inorgânica, o As(III) é 60 vezes mais tóxico do a forma oxidada pentavalente, As(V) [78]. Os compostos AsB e AsC não apresentam toxidade significativa.

Estes diversos compostos de As têm grande solubilidade em meio aquático, tornando-se assim, uma grande preocupação de contaminação para os seres humanos. Os ions As(III), As(V), (MMA) e (DMA) estão presentes em águas naturais, subterrâneas, de mar e lagoas, onde podem sofrer o processo de biometilação [76]. Assim, a grande exposição humana pela água se deve na ingestão de água potável, além de diversos alimentos de origem marinha como peixes, crustáceos e outros frutos do mar e alimentos que necessitam de água para produção como é o caso do arroz [79-81].

Diferentemente de outros cereais, o arroz é geralmente cultivado com irrigação de água, ou seja, em solos inundados. Assim, o As (principalmente a forma inorgânica) mobiliza-se melhor no solo, pelo excesso de água e, consequentemente, é eficientemente absorvido pelas raízes, acumulando-se na planta e atigindo facilmente o grão [76, 82, 83]. A absorção de As é dependente de cada espécie. O DMA e MMA são absorvidos mais lentamente que o As inorgânico; entretanto, são mais eficientemente transportados no xilema e floema da planta [76]. Evidências relatam que as As(III) e As(V) são respectivamente absorvidos por transportadores de silicato e fosfato, pela similaridade na dimensão da molécula [84]. Desta forma, o As(V) não é diferenciado do fosfato na membrana dos transportadores de fosfato, e como consequência, o As(V) é imediatamente reduzido em As(III) pela ação da enzima As redutase (AsR) [76]. Esta não diferença entre As e fosfato é uma grande preocupação para os agricultores, pois o acúmulo de As nas culturas de arroz causa reduções na germinação, no crescimento e desenvolvimento das raízes e da parte aérea, resultando em uma drástica diminuição da produtividade [76].

Uma vez ingerido, o As trivalente absorve-se em cerca de 95% no trato gastrointestinal [85, 86]. Quando deslocado para o fígado, sofre o processo de biometilação, ou seja, o fígado converte o As inorgânico para As orgânico (apresentada no esquema 1), que também pode ser chamado de um processo de desintoxicação, o qual reduz a afinidade do elemento com o tecido [87].

Comumente, o As(V) é rapidamente reduzido para As(III) pela ação da enzima

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15 arsenatoredutase e posteriormente, o ocorre a metilação de As(III), convertendo-se a MMA, e a transformação para DMA pela ação da enzima As- metil-transferase [88]. Assim, a principal via de eliminação de As é através da urina, com a excreção de DMA e MMA [89]. Porém, as proporções relativas entre as espécies inorgânicas e orgânicas, serão dependentes com as condições de exposição, via de administração, dose e espécie dos animais expostos [76].

As(V) → As(III) → MMA(V) → MMA(III) → DMA(V) (Esquema 1)

Algumas desordens e doenças cardiovasculares estão sendo associadas entre os principais malefícios causados pela exposição continua de As ao organismo humano, tais como, hipertensão e arritmias, disfunção vascular endotelial, indução do estresse oxidativo, indução da arterosclerose e regulação de alguns intermediadores químicos celulares como fator de necrose tumoral alfa, interleucina-1 e fator de crescimento endotelial que induz doenças cardiovasculares [90]. Outros exemplos como, conjuntivite, hiperqueratose, hiperpigmentação e gangrena nos membros estão sendo associados com a exposição crônica de As [74].

Embora as espécies orgânicas tenham toxicidade menor em relação a fração inorgânica, podem causar alguns efeitos na pele e no trato gastrointestinal decorrentes da exposição pela via oral. Entretanto, os dados ainda são escassos [76]. Por outro lado, as espécies inorgânicas são consideradas pela Agência Internacional para Pesquisa em Câncer (IARC – em inglês International Agency for Research on Cancer), como carcinógenos humanos classe I, visto que estão associadas ao desenvolvimento de cânceres de pele, pulmão, bexiga e rim [8].

Os seres humanos podem ser envenenados por As inorgânico, se houver ingestão acima de 60 mg de As por kg de massa corporal. Exposições por via oral entre 3 a 30 mg de As por kg de massa corporal podem causar irritação estomacal ou do intestino, dor, náusea, vômito e diarreia. No entanto, o organismo pode criar tolerância ao envenenamento, comportando-se diferentemente [91]. Segundo a recomendação do Comitê de Especialistas da FAO/WHO em Aditivos Alimentares (JECFA – em inglês The Joint FAO/WHO

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16 Expert Committee on Food Additives), a ingestão diária permitida de As inorgânico é de 15 µg por kg de massa corporal [92]. Assim, o arroz pode trazer grande contribuição para a ingestão diária de As, principalmente no Brasil, onde o alimento está diariamente presente nas refeições. Por este fato, a Agencia Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) estipula concentração máxima de 0,30 mg kg -1 de As total no arroz produzido e consumido no Brasil [93]. Na Europa, a Autoridade Europeia de Segurança Alimentar (EFSA – em inglês European Food Safety Authority) estabelece concentração máxima de 0,20 mg kg-1 de As inorgânico para arroz polido e 0,25 mg kg-1 de As inorgânico para arroz parboilizado e integral [94]. O JECFA não estabelece nenhum valor máximo permitido de As em arroz, no entanto, vários valores estão sendo avaliados pela instituição como concentração tolerável para o arroz branco polido, tais como, 0,20, 0,30 e 0,40 mg kg-1 [92].

2.4.2. Cádmio (Cd)

O Cd é um elemento não essencial, pois não apresenta nenhuma função biológica em animais e humanos e apresenta toxicidade a diversos seres vivos, tais como, humanos, plantas e microrganismos [95]. Porém, consegue simular outros metais divalentes que são essenciais para diversas funções biológicas [95]. O Cd consegue percorrer por diversas membranas em diferentes mecanismos e quando está no interior das células liga-se facilmente em moléculas que possui grande afinidade, tal como, as metaloproteínas [96, 97].

Em seres humanos, afeta principalmente os rins e fígados, locais onde ocorre a bioacumulação, além dos ossos, que devido a exposição crônica, pode trazer problemas de saúdes com o passar dos anos. A bioacumulação deste elemento também ocorre em invertebrados aquáticos e algas [95].

Na crosta terrestre os teores de Cd encontram-se entre 0,1 a 0,5 ppm e o elemento está comumente associado com minérios de Zn, Pb e Cu, enquanto que no meio aquático é encontrado naturalmente na água do mar com níveis médios de <5 a 110 ng L-1 [98]. As emissões naturais de Cd no ambiente são resultado de ações vulcânicas, incêndios florestais, produção de aerossóis de sal do mar, ou outros fenômenos naturais [98]. Na indústria, a principal utilização de Cd é fabricação de baterias, com aproximadamente 80% do uso

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17 total, pigmentos (8%), revestimentos e plaqueamentos (7%), estabilizadores para plásticos (1,2%), ligas não ferrosas, dispositivos fotovoltaicos, e outras (0,8%) [99]. Além disto, destacam-se a mineração, fabricação e aplicação de fertilizantes, queima de combustíveis fósseis e incineração de resíduos [98].

Após sua emissão na atmosfera, o Cd é transportado através do ar, podendo percorres grandes distâncias na atmosfera, depositando-se em solos e águas superficiais. A deposição de Cd no solo ainda é aumentada pela aplicação direta de fertilizantes de fosfato, que pode conter até 300 mg kg-1 de Cd, além do despejo de lamas provenientes de esgoto e dejetos vindos da indústria e resíduos sólidos urbanos compostados [100]. A mobilidade de Cd no solo depende de vários fatores, incluindo o pH do solo e a disponibilidade de matéria orgânica [101]. A presença de matéria orgânica imobiliza o Cd, que mesmo imobilizado está disponível para diversas plantas e pode entrar facilmente na cadeia alimentar [95]. No meio aquático, o Cd está presente como íon hidratado ou como complexos iônicos com outras substâncias orgânicas e inorgânicas. As formas solúveis migram com grande facilidade na água e pode ser absorvido e retido pelas plantas aquáticas e terrestres [95].

Esta grande poluição ambiental de Cd no solo e no meio aquático afeta diretamente muitos alimentos provenientes da agricultura e do mar. Segundo o Sistema de Monitoramento Global do Meio Ambiente – Acompanhamento da Contaminação Alimentar e Programa de avaliação (GEMS / Food – em inglês Global Environment Monitoring System - Food Contamination Monitoring and Assessment Programme) da ONU, sete grupos de produtos são responsáveis e contribuem com 40 a 85% da ingestão total de Cd [102]. Entre os alimentos, destacam-se o arroz, trigo, vegetais de raiz, tubérculos, vegetais de folhas, outros legumes e moluscos. Em culturas de arroz são comumente utilizados muitas fontes de exposições relatadas, como fertilizantes, lamas provenientes de esgoto para prevenir a presença de pragas nas culturas, para aumentarem a produtividade e adubar o solo deficiente de minerais [13]. Porém, o uso inconsciente e exagerado destas fontes coloca em risco a segurança alimentar.

O Cd tem grande facilidade de absorção em plantas e tem grande força de retenção em solos úmidos, e isto se torna um problema para a grande parte do cultivo de arroz realizado no Brasil [103]. No arroz, o Cd+2 é absorvido do solo e/ou da água de irrigação e após vários processos é transportado rapidamente

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18 das raízes para a parte aérea, chegando finalmente aos grãos pelo xilema [103]. O Cd torna-se perigoso pela ingestão de arroz, porque na maioria das vezes, as concentrações de Zn e Fe no arroz polido são baixas [103], e o Cd tem maior absorção no organismo quando os níveis de Zn e Fe na alimentação são baixos [104].

Uma vez ingerido pelos seres humanos, a absorção de Cd é relativamente baixa (3 a 5%), no entanto, é retido no rim e fígado de forma eficaz, com meia vida biológica que pode variar um tempo de 10 a 30 anos [9].

No rim é onde ocorrem os maiores efeitos tóxicos de Cd, pois se acumula especialmente nas células tubulares proximais ao longo do tempo, causando disfunção renal. Os ossos também podem sofrer danos com a presença do elemento, visto que podem ser ocasionado desmineralização óssea, através de danos diretos ou indiretos como resultado da disfunção renal. Após a exposição prolongada, pode ocorrer a diminuição da taxa de filtração glomerular, primeira etapa para o formação da urina, e a insuficiência renal [9].

Do mesmo modo que a As inorgânico, o Cd é considerado pela IARC como carcinógeno humano do grupo 1, pois a partir de estudos ocupacionais, o Cd foi estatisticamente associado com o aumento no risco de câncer no pulmão, no endométrio, na bexiga e na mama [8]. Visando o perigo que este elemento pode causar pela ingestão de arroz, a EFSA estabelece concentração máxima permitida no arroz de 0,20 mg kg-1 [94], enquanto que, o JECFA e a Anvisa, estabelecem limites permitidos de 0,40 mg kg -1 [92, 93]. O JECFA também estabelece que a ingestão tolerável mensalmente de Cd deve ser de no máximo 25 µg kg-1 de peso corporal, independente da fonte de exposição. Este valor estipulado é mensal, pois a contribuição da exposição de Cd pela ingestão alimentar tem representatividade em longo prazo [92].

2.4.3. Chumbo (Pb)

Assim como o Cd, o Pb é um elementos que não desempenha nenhuma função fisiológica para os seres humanos [10]. É um contaminante ambiental natural; entretanto, a maior contribuição para a contaminação do ambiente é através de atividades antropogênicas, o qual inclui a fabricação de baterias, mineração e fundição, solda, munições e canos de água de metal [10]. No

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19 passado o Pb tinha grande utlização como componente da gasolina, mas devido a problemas de intoxicação humana associadas com o elemento, sua comercialização foi banida em 1992 no Brasil e em 2005 nos Estados Unidos e Europa, desde que a concentração de Pb não excedesse 0,15 g L-1 [105, 106].

A maior exposição humana de Pb é atraves da alimentação, água, solo, poeira e ar. No ambiente o Pb pode estar presente tanto na forma inogânica (forma predominante) quanto na forma orgânica (forma com maior toxicidade). No entanto, a forma orgânica é metabolizada para a forma inorgânica em animais e humanos [106, 107].

No solo, o Pb não possui mobilidade significativa e a concentração de Pb varia de acordo com o grau de acúmulo de partículas atmosféricas provenientes de fontes antropogênicas [10, 105]. A mobilidade pode ser influenciada pelo pH do solo, concentração de ácidos húmicos e quantidade de matéria orgânica. Uma vez absorvido no solo, o Pb inorgânico e sais de Pb podem ser lixiviados para as águas subterrâneas, mas de forma lenta. As plantas, por sua vez, conseguem absorver o elemento por conta da contaminação no solo, nas águas subterrâneas e no ar [107].

Por conta destas exposições, há grandes evidências que as plantações de arroz sofrem contaminação por Pb, quando se encontram próximas de indústrias. Na China, por exemplo, cerca de 20 milhões de hectares com alguma cultura agrícola está contaminada por diversos metais, entre eles o Pb, devido a atividade industrial [108]. Além disto, a contaminação de Pb em solos de várzeas para a plantação de arroz, resultou em mudanças na atividade de muitos microrganismos do solo, deterioração da fertilidade do solo, mudança dos índices fisiológicos e na queda da qualidade e rendimento do grão [109].

Quando o Pb é ingerido a partir de algum alimento, a absorção no trato gastrointestinal pode variar entre 2 a 16%, porém quando administrado em jejum a absorção pode chegar de 60 até 80% [110]. O grande perigo da ingestão de Pb está em mulheres grávidas e crianças, pois a absorção no trato gastrintestinal pode chegar de 45 a 50% [110]. Após esta absorção o Pb acumula-se principalmente nos ossos e é liberado gradualmente para a corrente sanguínea, especialmente na gravidez e em momento de lactação [110]. Assim, o elemento pode ser transferido a partir da mãe para o feto no útero ou através do leite materno, causando graves danos ao sistema nervoso

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20 central, particularmente em cérebros em desenvolvimento, resultando em atrasos do desenvolvimento cognitivo e do desempenho intelectual das crianças, mesmo em níveis baixo de exposição [110]. Além disto, o elemento é responsável por afetar todos os sistemas do corpo, tais como, o sangue, sistema cardiovascular, renal, o sistema endócrino, gastrointestinal, imunológico e sistemas reprodutivos [110]. Segundo a IARC o Pb é considerado como cancerígeno da classe 2A [106]. A EFSA e o JECFA não estabelecem concentrações toleráveis de Pb para arroz, porém para cereais o valor tolerável é de 0,20 mg kg-1 [92, 94]. A Anvisa por sua vez, estabelece que para arroz a concentração máxima permitida para Pb é de 0,20 mg kg-1 [93]. O comitê do JECFA havia estabelecido 25 µg kg-1 por dia como a exposição alimentar permitida para Pb, no entanto, esta concentração não poderia mais ser considerada para proteção da população mundial, pois este teor estaria associada com a diminuição em três pontos de QI em crianças e o aumento de 3 mmHg (0,4 kPa) na pressão sanguínea sistólica em adultos. Assim, não há nenhuma concentração diária permitida de Pb por exposição alimentar [92].

2.4.4. Selênio (Se)

O Se é um micronutriente essencial para os seres humanos. No entanto, cerca de 1 bilhão de pessoas são deficientes deste elemento [111]. Mesmo que as funções biológicas aos seres humanos ainda estejam sob investigação, é sabido que o Se é o principal componente estrutural de diversas selenoproteínas envolvidas em atividades enzimáticas [112]. Entre as funções enzimáticas, destacam-se a atividade antioxidante, causada pela glutationa peroxidase (GSH-Px), que é capaz da destruição de agentes oxidantes que atacam a célula. A atividade de Se é reforçada pela presença da Vitamina E, que também atua na redução de radicais livres [113]. Além disto, o Se atua no metabolismo dos hormônios tireoidiano, nas funções musculares, na proteção contra células cancerosas e possui propriedades anti-inflamatórias e imuno- estimulantes [113]. A deficiência do elemento pode aumentar o risco na obtenção de varias doenças crônicas e cardiovasculares [113, 114].

O Se presente na natureza e em organismos apresenta-se na forma inorgânica e orgânica, sendo a selenometionina (Semet) e selenocisteina

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21 (Secys) as principais formas orgânicas, enquanto que, o selênito (SeO3-2

), seleneto (Se-2), selenato (SeO4-2

) e o selênio elementar (Se) são as principais formas inorgânicas [115]. A presença de Se na atmosfera está geralmente associada com ações naturais, como a ação vulcânica, sprays de águas do mar e volatilização de reciclagens do ciclo biótico, ou a partir de fontes antropogênicas, como, queima de combustíveis fosseis, esgoto e insumos agrícolas (fertilizante e calcário) [115]. As principais formas presentes no solo são o SeO3-2

e o SeO4-2

, sendo estas formas as mais solúveis, móveis, biodisponíveis e potencialmente tóxicas para as plantas e em elevadas concentrações para animais e seres humanos [116, 117]. As formas orgânicas originam-se principalmente da decomposição em plantas, onde o Se está acumulado. Assim, o solo é a principal fonte de Se para as culturas agrícolas, tais como, batata, soja, arroz, milho, trigo e alface [118].

As culturas de arroz absorvem principalmente o SeO4-2

através das raízes por transportadores do sulfato, chegando as partes aéreas da planta.

Sun e colaboradores [120] relataram as diferentes formas de Se encontradas em diferentes partes do arroz, causadas pelo metabolismo da planta. Assim, no endosperma do arroz a forma predominante é a orgânica, enquanto que no farelo, ambas as formas orgânicas e inorgânicas estão presentes. Segundo os autores, a concentração de Se na planta de arroz diminui através da ordem:

palha do arroz > farelo > grãos inteiros > arroz polido > casca, e que o arroz integral tem o dobro da concentração em relação ao arroz polido [120].

Embora seja um elemento essencial, a elevada ingestão de Se também pode causar efeitos deletérios ao organismo humano, tais como, taquicardia, efeitos na região cutânea e neurológica, além da perda de cabelo, unhas e dentes [121]. No entanto, para causar algum efeito prejudicial ao organismo humano é necessário ingerir cerca de 10 a 20 vezes a mais do que a ingestão diária recomendada, que é de 55 µg. Por esta razão não existe nenhuma norma para a ingestão tolerável de Se em arroz ou em algum produto a base de cereais, visto também que a concentração de Se em arroz é muito baixa [122].

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22 2.5. Espectrometria de Absorção Atômica (AAS)

A AAS é uma técnica analítica que se baseia na capacidade de átomos gasosos e, em algumas vezes, no estado fundamental de absorver energia, a partir de uma fonte de radiação específica para cada elemento. Esta técnica é considerada bem sucedida e difundida na determinação de aproximadamente 70 elementos, em uma variedade extensa de amostras, que podem ser introduzidas no equipamento na forma líquida, sólida ou até mesma gasosa, dependendo do atomizador utilizado para as determinações, tal como, chama, forno de grafite ou célula de quartzo. O princípio da AAS, os diferentes tipos de equipamentos, atomizadores e aplicações estão detalhados no livro (Atomic Absorption Spectrometry - terceira edição) escrito por Bernard Welz e Michael Sperling [123].

2.5.1. Espectrometria de Absorção Atômica com forno de grafite (GF AAS)

A GF AAS é uma técnica empregada para a determinação elementar em baixas concentrações na faixa de ppb ou em alguns casos em ppt, em diversos tipos de amostra. Para as determinações são requeridas pequenas quantidades de amostra (<100 µL), sendo a amostra pode ser introduzida diretamente na forma sólida, em suspensão ou na forma líquida (forma comumente utilizada) [123].

A GF AAS apresenta importantes características que se transformam em grandes vantagens em relação ao espectrômetro de absorção atômica em chama (F AAS – em inglês Flame Atomic Absorption Spectrometry) e o espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES – em inglês Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry), tais como, maior tempo de residência dos átomos no atomizador, o uso de 100% da amostra introduzida para a determinação dos elementos, além do programa de tempo e temperatura do forno de grafite que proporciona melhor separação entre o analito e os concomitantes da amostra na etapa de pirólise (diminuindo os efeitos de possíveis interferências provocadas pela matriz da amostra), além da temperatura e tempo especifico para cada elemento no momento da atomização. Estas características, frente às técnicas citadas

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23 proporciona maior sensibilidade à técnica. Devido ao uso do conceito do Stabilized Temperature Platform Furnace (STPF), introduzido por Slavin, a técnica de GF AAS foi enriquecida pelos seguintes requisitos: (a) atomização do analito a partir de uma plataforma de L’Vov; (b) alta velocidade de aquecimento na etapa de atomização; (c) interrupção do gás de purga durante a etapa de atomização; (d) uso de absorvância integrada nas medidas dos sinais analíticos e (e) emprego de modificadores químicos [123]. Esse conceito quando bem empregado, normaliza o funcionamento entre os diferentes equipamentos, permitindo a reprodutibilidade entre os laboratórios.

O uso de modificadores químicos é importante para técnica a de GF AAS. A finalidade fundamental do modificador químico é melhorar a separação entre o analito e os concomitantes da matriz da amostra em temperaturas elevadas de pirólise, garantindo estabilidade térmica ao analito ou tornar os concomitantes da matriz mais voláteis, dependendo da forma de atuação do modificador químico. Schlemmer e Welz [124], denominaram a mistura entre os nitratos de paládio e magnésio (Pd/Mg) como o “modificador universal”, pois este modificador consegue ser eficiente para uma grande quantidade de elementos em diversas matrizes. Além disto, algumas características são importantes para a escolha de um modificador químico: (a) estabilizar termicamente o elemento em pelo menos 1000 °C, a fim de garantir a total eliminação da matriz durante a etapa de pirólise; (b) não diminuir a vida útil do tubo de grafite; (c) estar disponível em um elevado grau de pureza para evitar interferências; (d) ser raramente determinado por GF-AAS; (e) não afetar de forma negativa a sensibilidade da técnica; (f) não contribuir para a absorção de fundo; (g) os limites de detecção não podem ser aumentados pelo uso do modificador e (h) deve possibilitar a aplicação em uma grande variedade de matrizes. Existem dois tipos de modificadores, os modificadores químicos convencionais, os quais são adicionados simultaneamente com a amostra líquida, ou aplicadas posteriormente da pesagem da amostra na plataforma, quando a amostra é sólida, e os modificadores permanentes, que são soluções que fazem o recobrimento da superfície da plataforma ou na parede do forno de grafite através de uma sequencia de queimas antes da introdução da amostra [123-125].

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