UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS ALIMENTOS
FLÁVIA ROBERTA BUSS MARENDA
INVESTIGAÇÃO DOS POLISSACARÍDEOS DE PAREDE CELULAR DA CASCA RESIDUAL DE BIOMASSA DE BANANA VERDE (Musa sapientum)
FLORIANÓPOLIS 2019
Flávia Roberta Buss Marenda
INVESTIGAÇÃO DOS POLISSACARÍDEOS DE PAREDE CELULAR DA CASCA RESIDUAL DE BIOMASSA DE BANANA VERDE (Musa sapientum)
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos do Centro de Ciências Agrárias da Universidade Federal de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Doutora em Ciência dos Alimentos.
Orientadora: Profa. Dra. Renata Dias de Mello Castanho Amboni;
Coorientadora: Profa. Dra. Carmen Lúcia de Oliveira Petkowicz.
Florianópolis 2019
Flávia Roberta Buss Marenda
Investigação dos polissacarídeos de parede celular da casca residual de biomassa de banana verde (Musa sapientum)
O presente traballo em nível de Doutorado foi avaliado e aprovadopor banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Profa. Renata Dias de Mello Castanho Amboni Dra. Universidade Federal de Santa Catarina
Profa. Carmen Lúcia de Oliveira Petkowicz Dra. Universidade Federal do Paraná
Profa. Maria Helene Giovanetti Canteri Dra. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Profa. Edna Regina Amante Dra. Universidade Federal de Santa Catarina
Profa. Carmen Maria Oliveira Müller Dra. Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de Doutora em Ciência dos Alimentos obtido pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos
_______________________________________________ Profa. Dra. Ana Carolina de Oliveira Costa
Coordenadora do Programa
_______________________________________________ Profa. Dra. Renata Dias de Mello Castanho Amboni
Orientadora
Florianópolis, 05 de Agosto de 2019.
Renata Dias de Mello Castanho Amboni:93270348991
Assinado de forma digital por Renata Dias de Mello Castanho Amboni:93270348991 Dados: 2019.09.06 08:05:53 -03'00'
Ana Carolina de Oliveira Costa:95125574015
Assinado de forma digital por Ana Carolina de Oliveira Costa:95125574015 Dados: 2019.09.11 23:34:09 -03'00'
Dedico esse trabalho aos meus maiores mestres, aqueles que sempre me apoiaram nos momentos mais difíceis, me incentivaram a correr atrás dos meus sonhos, meus pais:
AGRADECIMENTOS
A Deus, que me concedeu saúde, discernimento, sabedoria e paciência. Agradeço também por ter colocado muitos anjos em meu caminho, que me deram forças para seguir em frente nesta jornada.
Aos meus melhores amigos: Marinêz e João Marenda, que muitas vezes deixaram seus sonhos de lado para que eu pudesse realizar os meus. Agradeço por me apoiarem em todas as decisões e em todas as mudanças durante esses quatro anos. Tudo que consegui só foi possível graças ao amor e dedicação que sempre tiveram por mim. Vocês são pais maravilhosos, eu os admiro por terem nos ensinado a agir com respeito, simplicidade, honestidade e amor ao próximo. À minha irmã Laura Maria Buss Marenda, obrigada pela amizade, carinho e companheirismo, sempre torcendo por minhas conquistas e colocando diversão em minha vida. Amo vocês!
Agradeço às principais responsáveis pela minha formação: minha querida orientadora Profa. Dra. Renata Dias de Mello Castanho Amboni, muito obrigada por me incentivar a acreditar no futuro da ciência e por me tornar uma profissional melhor. À minha coorientadora Profa. Dra. Carmen Lúcia de Oliveira Petkowicz, por me receber em seu laboratório e por abrir meus olhos para novos horizontes. Obrigada por sempre ter disponibilidade e curiosidade para observar as amostras no laboratório e também por me ensinar a pensar de forma crítica e criativa. À Profa. Dra. Maria Helene Giovanetti Canteri que foi minha orientadora de Mestrado e se tornou uma grande amiga, que me tranquiliza nas horas difíceis, me dá apoio e segurança de que estou construindo um futuro melhor. Essas cientistas são um exemplo de humildade, competência, dedicação e amor ao trabalho, obrigada pela sabedoria compartilhada e por estarem sempre dispostas a me auxiliar.
À Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), à Universidade Federal do Paraná (UFPR) e à Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) que proporcionaram as estruturas necessárias para o meu aprendizado e para a realização desta pesquisa. Principalmente aos laboratórios de Leites, Compostos Bioativos, Química de Alimentos e Frutas e Hortaliças do Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos da UFSC. Aos laboratórios de Química de Carboidratos Vegetais, de Reologia, de Cromatografia e Espectrometria de Massas, de Oxidações Biológicas e Cultivo Celular e ao Centro de RMN (Ressonância Magnética Nuclear) do Programa de Pós-Graduação em Ciências-Bioquímica, e ao laboratório de FTIR
(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy – Espectroscopia de Infravermelho) do Departamento de
Química da UFPR. E aos laboratórios multiusuários da UEPG.
Aos Professores do Departamento do Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos da UFSC, aos Professores do Departamento do Programa de Pós-Graduação em Ciências-Bioquímica da UFPR e aos Professores do Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos da UEPG, meus sinceros agradecimentos por todos os ensinamentos que contribuíram para o meu processo de aprendizagem e crescimento profissional. Especialmente à Profa. Dra. Edna Amante, Profa. Dra. Carmen Müller, Profa. Dra. Ana Carolina Costa, Profa. Dra. Elane Prudêncio, Profa. Dra. Alícia de Francisco, Profa. Dra. Guilhermina Noleto, Prof. Dr. Miguel Noseda, Prof. Dr. Guilherme Sassaki e Prof. Dr. Ivo Mottin Demiate.
Ao Secretário do Departamento do Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos da UFSC: Sérgio de Souza, muito obrigada pelo modo prestativo e eficiente que sempre me atendeu.
Aos técnicos dos laboratórios: Luciano (Laboratório de Química de Alimentos) da UFSC; Elisângela e Rosane (Laboratório de Cromatografia e Espectrometria de Massas), Ana e Arquimedes (Centro de RMN), Grazielli (Laboratório de FTIR) da UFPR e Vanessa (Laboratório de Microscopia Eletrônica) da UEPG, muito obrigada pelas trocas de conhecimento e pelo auxílio na utilização dos equipamentos.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), que me concedeu uma bolsa durante a realização deste Doutorado, fato esse que muito contribuiu para a realização desta Tese.
À toda a minha família (tios, tias, primos e primas) pelo apoio, torcida e confiança que sempre depositaram e mim; pelos momentos em que não estivemos juntos e que souberam entender. Obrigada, amo vocês. À minha querida Madi: Marilene Lino Porto, que hoje infelizmente não está mais entre nós, mas que sempre me ensinou a ser um ser humano melhor. Foram tantas as pessoas que estiveram ao meu lado durante esta longa jornada, mas gostaria de agradecer principalmente aos colegas de laboratório e de departamentos, com os quais eu sempre pude trocar conhecimento e momentos de alegria.
Aos amigos que levam um pouquinho de nós e deixam um pouquinho de si. À minhas amigas e pesquisadoras exemplares, Suelen Ávila e Cristiane Colodel que iluminaram meu caminho, tanto na pesquisa quanto na vida, obrigada meninas. Aos queridos Bruno Romanoski, Cassiano Julio, Leandro Henschel Danés, Polyanna Hornung, Vivian Ito, Rafaela Barbi e Stephanie Pinto, agradeço pelo incentivo, conversas, livros e trocas de conhecimento, vocês foram e são muito importantes em minha vida.
Aos lindos da República Harmonia de Curitiba, com os quais compartilhei a amizade verdadeira: Suelen, Elivane, Wellinton (Izi), Rita, Marlison, Gustavo, Juan e Taísa, deixo meu recado “só vai sempre”. Em especial a minha mig Maira que sempre me apoiou e me deu força, obrigada por todos os momentos que compartilhamos juntas. Agradeço também aos amigos antigos: Jamila, Thiago, Bruna e Marcela, que mesmo tomando caminhos diferentes, nosso carinho, admiração e amizade não foram abaladas. Obrigada por fazerem parte da minha vida. Aos colegas do LFH (Laboratório de Frutas e Hortaliças) e da salinha: Mariana, Stephanie, Roseane, Caroline, Nathália, Luís, Bheatriz, Carlen, Mariana, Mabel, Gabriela e Júlia, obrigada pelo apoio, incentivo, cafés, mates e as ótimas conversas. Aos maravilhosos do
CarVeg para a vida: Cristiane, Carlos Eduardo, Giulia e Luis, agradeço pela paciência, carinho
e amizade que sempre tiveram comigo. Foi um convívio gratificante e enriquecedor, torço para que alcancem todos os seus objetivos.
À querida Bene Ribeiro da empresa CP Kelko, localizada em Limeira, São Paulo, Brasil, agradeço pela gentil doação de amostras de pectinas de alta e baixa metil-esterificação e pura sem padronização de açúcares. E também a querida Maria Regina da empresa LNF- Latino Americana Cons. Ass. Imp. Ltda, localizada em Bento Gonçalves, Rio Grande do Sul, Brasil, agradeço pelas gentis doações das enzimas, muito importantes para a realização desta pesquisa.
A todos que de alguma forma contribuíram para o andamento desta pesquisa, ou participaram da minha vida, e que, por ventura, eu tenha me esquecido de agradecer.
RESUMO
Os polissacarídeos não amiláceos (celulose, hemicelulose e pectina) estão presentes na parede celular vegetal e são amplamente utilizados pelas indústrias de cosméticos, medicamentos e alimentos. Este trabalho está apresentado em três etapas: na primeira parte foi realizada uma revisão sobre os avanços em estudos com resíduos agroindustriais vegetais na obtenção de substâncias pécticas, que abordou temas relacionados com a estrutura química da pectina, técnicas de extração e caracterização, além de potenciais aplicações nas áreas de alimentos e da saúde; na segunda etapa deste trabalho, o objetivo foi caracterizar a farinha da casca residual de biomassa de banana (Musa sapientum) verde (FCRBBV) quanto à composição físico-química e parâmetros de cor; na terceira etapa deste trabalho o objetivo foi investigar os polissacarídeos da parede celular da casca residual de biomassa de banana (Musa sapientum) verde. Nesta etapa, foi realizada a extração da pectina da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente, em diferentes condições de extração (temperatura, pH e tempo de extração) utilizando o planejamento experimental Box-Behnken, com intuito da obtenção de um rendimento máximo de pectina. Posteriormente, foi realizado o fracionamento dos polissacarídeos da parede celular da CRBBV, por meio de extrações sequenciais empregando diferentes solventes. A FCRBBV apresentou um alto teor de fibras alimentares totais (74,5 g/100g), sendo 49,55 g/100g de fibras insolúveis e 24,95 g/100g de fibras solúveis. Além disso, este estudo revelou que a casca residual de biomassa de banana verde é composta principalmente por glucose (82,3 %), provavelmente derivada do amido resistente (confirmado pelo espectro de RMN-2D-HSQC). O planejamento experimental Box-Behnken utilizado para a extração de pectina apresentou um rendimento ótimo de 11,83 %, obtido na condição de 86 °C, pH 2,00 por 6 h de extração. Contudo, o polissacarídeo obtido na condição otimizada apresentou baixo teor de ácido galacturônico e alto teor de glucose. Este trabalho foi pioneiro na investigação de polissacarídeos da parede celular da casca residual de biomassa de banana verde e revelou a presença de amido resistente, arabinoxilanas e glucuronoarabinoxilanas, que podem empregados no desenvolvimento de novas formulações de alimentos e medicamentos.
Palavras-chave: valorização de resíduos agroindustriais, casca de biomassa de banana verde, hemicelulose, amido resistente.
ABSTRACT
Non-starch polysaccharides (cellulose, hemicellulose and pectin) are present in the plant cell wall and are widely used by cosmetics, medicines and food industries. This work is presented in three stages: in the first part, a review of the advances in studies on vegetal agroindustrial wastes in the obtaining pectic substances was presented, that approached topics related to the pectin chemical structure, extractions and characterization techniques, as well as potential applications in the areas of food and health; in the second stage of this work, the objective was to characterize the residual peel of unripe banana biomass (Musa sapientum) flour (RPUBBF) in terms of physicochemical composition and color parameters; in the third part of this work, the objective was to investigate the polysaccharides of the cell wall from residual peel of unripe banana biomass (Musa sapientum). At this stage, the pectin was extracted from residual peel of unripe banana biomass (RPUBB), enzymatically treated under different extraction conditions (temperature, pH and time) using the Box-Behnken experimental design in order to obtain a maximum yield of pectin. Subsequently, the polysaccharides were fractionated from the cell wall of the RPUBB, using sequential extractions employed different solvents. The RPUBBF presented a high total dietary fibers content (74.5 g/1 00g), being 49.55 g/ 100g of insoluble fibers and 24.95 g/1 00g of soluble fibers. In addition, this study revealed that the residual peel of unripe banana biomass is composed mainly by glucose (82.3 %), probably derived from resistant starch (confirmed by 2D-HSQC-NMR spectrum). The Box-Behken experimental design used for pectin extraction presented an optimum yield of 11.83 %, obtained under the condition of 86 °C, pH 2.00 for six hours of extraction. However, the polysaccharide obtained in the optimized condition had low galacturonic acid content and high glucose content. This work was the pioneer in the investigation of cell wall polysaccharides from the residual peel of unripe banana biomass and revealed the presence of resistant starch, arabinoxylans and glucuronoarabinoxylan’s, which cab be employed in the development of novel food and drug formulations.
Keywords: agroindustrial wastes valorization, unripe banana biomass peel, hemicellulose and resistant starch.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Mapa mundial de produção de bananas ... 26
Figura 1.2 – Morfologia da bananeira frutificada ... 27
Figura 1.3 – Classificação dos estádios de maturação da banana (Musa spp.) ... 28
Figura 1.4 – Modelo simplificado da produção de biomassa de banana verde (Musa sapientum) ... 30
Figura 1.5 – Gerenciamento tradicional de resíduos agroindustriais... 32
Figura 1.6 – Efeito da ingestão de fibras dietéticas sobre diversos fatores metabólicos no organismo humano ... 34
Figura 1.7 – Componentes das fibras dietéticas de acordo com a solubilidade ... 35
Figura 1.8 – Modelo simplificado dos polissacarídeos presentes na parede celular vegetal ... 36
Figura 1.9 – Principal unidade da estrutura química da celulose ... 37
Figura 1.10 – Hemicelulose: β-glucana com ligação mista β 1→4 e β 1→3 ... 37
Figura 1.11 – Modelo de cadeia principal de xiloglucana [β (1→4) D-glucose]n ... 37
Figura 1.12 – Estrutura parcial de pectina (homogalacutonana com grupamentos metil éster e O-acetil éster) ... 39
Figura 1.13 – Formação de rede de pectina por ligações covalentes e iônicas. A: Demonstra como os domínios de pectina podem ser ligados covalentemente. B: Expõe as ligações iônicas de homogalacturonana com cálcio. C: Apresenta ligações di-éster da ramnogalacturonana II com Boro ... 40
Figura 1.14 – Exemplo da derivatização da molécula D-glucose em acetato de alditol .. 42
Figura 1.15 – Esquema básico do cromatógrafo gasoso ... 43
Figura 1.16 – Exemplo de padrão de ácido galacturônico (5-100 μg/ mL) após o procedimento com adição de ácido sulfúrico concentrado e tetraborato de sódio ... 45
Figura 1.17 – Separação de amostra constituída por diferentes massas molares através de cromatografia de exclusão por tamanho de alto desempenho ... 46
Figura 1.18 – Esquema dos componentes do sistema de cromatografia de exclusão por tamanho de alto desempenho, acoplado a detectores normalmente utilizados em análises de polissacarídeos ... 46 Figura 1.19 – Diagrama do detector de dispersão de luz de laser multi-ângulo (MALLS)
... 47 Figura 1.20 – Esquema básico do equipamento de ressonância magnética nuclear ... 49 Figura 2.1 – Modelo hipotético da estrutura química da molécula de pectina ... 71 Figura 2.2 – Linha do tempo sobre as aplicações potenciais de substancias pécticas
(natural e modificada) nas áreas de alimentos e da saúde ... 82 Figura 3.1 – Produção da farinha da casca residual de biomassa de banana verde
(FCRBBV) ... 104 Figura 4.1 – Extração sequencial de polissacarídeos presente no resíduo insolúvel em
álcool da casca residual de biomassa de banana verde (AIR-CRBBV) .... 121 Figura 4.2 – Superfície de resposta dos efeitos combinados utilizando diferentes
variáveis em relação ao rendimento dos produtos extraídos a partir da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente ... 129 Figura 4.3 – Gráfico de contorno de efeitos combinados utilizando diferentes
variáveis, em relação aos rendimentos dos produtos extraídos da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente ... 130 Figura 4.4 – Perfil de eluição pela cromatografia de exclusão estérica de alto
desempenho do produto extraído na condição otimizada (PO) a partir a partir da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente ... 132 Figura 4.5 – Espectro 2D-HSQC RMN do produto obtido na condição otimizada (PO)
a partir da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratado enzinmaticamente, em Me2SO-d6 a 70 °C ... 133
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Resíduos agroindustriais utilizados na extração de substâncias pécticas .... 66 Quadro 2 – Vantagens e desvantagens das técnicas de extração de substâncias
pécticas (micro-ondas, ultrassom, enzimática, alta pressão, homogeneização com alta velocidade e água subcrítica) em comparação ao método convencional ... 76
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Composição físico-química, atividade de água e parâmetros de cor da farinha da casca residual de biomassa de banana verde (FCRBBV) ... 105 Tabela 4.1 – Variáveis independentes testadas pelo planejamento experimental
Box-Behnken para a extração de pectinas da casca residual de biomassa de banana verde (Musa sapientum) ... 120 Tabela 4.2 – Composição monossacarídica da casca residual de biomassa de banana
verde (CRBBV) e do resíduo insolúvel em álcool da casca residual de biomassa de banana verde (AIR-CRBBV) ... 125 Tabela 4.3 – Variáveis e rendimentos observados e preditos obtidos pelo
planejamento experimental Box-Behnken para os produtos extraídos da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente ... 126 Tabela 4.4 – Coeficiente de regressão dos modelos polinomiais dos produtos
extraídos a partir da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente para os efeitos significativos obtidos pelo planejamento experimental Box-Behnken ... 126 Tabela 4.5 – ANOVA dos produtos extraídos a partir da casca residual de biomassa
de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente para os efeitos significativos (p<0,10) obtidos pelo planejamento experimental Box-Behnken ... 127 Tabela 4.6 – Composição monossacarídica do produto extraído na condição
otimizada (PO) a partir da casca residual de biomassa de banana verde (CRBBV) tratada enzimaticamente ... 130 Tabela 4.7 – Rendimento e composição monossacarídica dos polissacarídeos obtidos
por extração sequencial a partir do resíduo insolúvel em álcool da casca residual de biomassa de banana verde (AIR-CRBBV) ... 136
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 19
1.1 OBJETIVOS ... 21
REFERÊNCIAS... 22
CAPÍTULO 1 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 26
1.1 BANANA ... 26
1.2 RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS ... 31
1.2.1 Fibras dietéticas ... 32
1.2.2 Polissacarídeos não amiláceos ... 35
1.3 CARACTERIZAÇÕES DE POLISSACARÍDEOS NÃO AMILÁCEOS ... 41
1.3.1 Monossacarídeos neutros ... 41
1.3.2 Massa molar e distribuição molecular ... 45
1.3.3 Espectroscopia de ressonância magnética nucelar (RMN) ... 48
REFERÊNCIAS ... 51
CAPÍTULO 2- AVANÇOS EM ESTUDOS COM RESÍDUOS VEGETAIS NA OBTENÇÃO DE SUBSTÂNCIAS PÉCTICAS: UMA REVISÃO ... 64
RESUMO ... 64
1 INTRODUÇÃO ... 65
2 SUBSTÂNCIAS PÉCTICAS DE RESÍDUOS VEGETAIS ... 65
3 ESTRUTURA QUÍMICA DE SUBSTÂNCIAS PÉCTICAS ... 70
4 TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO E ESTRATÉGIAS DE MODIFICAÇÃO DE PECTINA ... 71
5 CARACTERIZAÇÃO DA PECTINA ... 77
6 POTENCIAL APLICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS PÉCTICAS: NATURAL E MODIFICADA ... 80
7 CONCLUSÃO E PERSPECTIVAS FUTURAS ... 83
REFERÊNCIAS ... 85
CAPÍTULO 3- PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA FARINHA DA CASCA RESIDUAL DE BIOMASSA DE BANANA VERDE (Musa sapientum) ... 101
RESUMO ... 101 1 INTRODUÇÃO ... 102 2 MATERIAL E MÉTODOS ... 103 2.1.1 Produção de matéria-prima ... 103 2.2 Caracterizações físico-químicas ... 104 2.5 Análise estatística ... 104 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 105 3.1 Caracterizações físico-químicas ... 105 4 CONCLUSÃO ... 109 REFERÊNCIAS ... 110
CAPÍTULO 4 - INVESTIGAÇÃO DOS POLISSACARÍDEOS DA PAREDE CELULAR DA CASCA RESIDUAL DE BIOMASSA DE BANANA (Musa sapientum) VERDE ... 115
RESUMO ... 115
1 INTRODUÇÃO ... 116
2.1 Produção de matéria-prima ... 118
2.2 Extrações para o isolamento de pectinas ... 119
2.2.1 Planejamento experimenta Box-Behnken (BB) ... 119
2.2.2 Extrações de pectinas ... 120
2.3 Extrações sequenciais de polissacarídeos ... 120
2.4 Composição monossacarídica ... 122
2.5 Cromatografia de exclusão estérica de alto desempenho ... 123
2.6 Espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) ... 124
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 124
3.1 Composição monossacarídica dos resíduos ... 124
3.2 Extrações para o isolamento de pectinas ... 125
3.2.1 Planejamento experimental Box-Behnken (BB) ... 125
3.2.2 Caracterização do produto extraído na condição otimizada ... 130
3.2.3 Espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) ... 132
3.3 Composições químicas dos polissacarídeos obtidos por extrações sequenciais ... 133
4 CONCLUSÃO ... 138
REFERÊNCIAS ... 139
CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 146
ANEXO A – Artigo publicado: MARENDA, Flávia R. B.; MATIODDA, Fernanda; DEMIATTE, Ivo M.; FRANCISCO, Alícia; PETKOWICZ, Carmen L. O.; CANTERI, Maria H. G., AMBONI, Renata D. M. C. Advances in studies using vegetable wastes to obtain pectic substances: a review. Journal of Polymers and the Environment, v. 27, p. 549-560, mar. 2019. DOI: 10.1007/s10924-018-1355-8 ... 147 ANEXO B – Artigo publicado: MARENDA, Flávia R. B.; COLODEL, Cristiane; CANTERI, Maria H. G.; MÜLLER, Carmen M. O.; AMANTE, Edna; PETKOWICZ, Carmen L. O.; AMBONI, Renata D. M. C. Investigation of cell wall polysaccharides from flour made with waste peel from unripe banana (Musa sapientum) biomass. Journal of the Science of Food and Agriculture. v. 99, p. 4363-4372, jul. 2019. DOI: https://doi.org/10.1002/jsfa.9670 ... 148 ANEXO C – Comprovante de apresentação de trabalho: “Potencial do resíduo gerado na produção de biomassa de banana verde (Musa
sapientum) para extração de pectina” VII Semana Acadêmica de Ciência
e Tecnologia de Alimentos (VII SACTA, 2018), Florianópolis/SC, Brasil ... 149 ANEXO D – Comprovante da publicação de trabalho em anais de evento: “Potencial do resíduo gerado na produção de biomassa de banana verde (Musa sapientum) para extração de pectina” VII Semana Acadêmica de Ciência e Tecnologia de Alimentos (VII SACTA, 2018), Florianópolis/SC, Brasil (ISBN: 978-85-45535) ... 150
19
1 INTRODUÇÃO
O processamento e a comercialização de frutos geram quantidades consideráveis de resíduos, cuja destinação pode ser um problema para as indústrias (ALZATE et al., 2017). Mais de um terço destes resíduos são descartados e causam um impacto ambiental negativo, contudo, sua aplicação no desenvolvimento de novos produtos pode agregar valor, principalmente devido a presença de nutrientes como fibras dietéticas, vitaminas, minerais e compostos bioativos (O’SHEA; ARENNDT; GALLAGHER, 2012) e polissacarídeos (COLODEL; VRIESMANN; PETKOWICZ, 2018).
Os polissacarídeos estão presentes na parede celular vegetal, principalmente composta por celulose, hemiceluloses e pectinas (DEFILLIPI et al., 2018). A celulose é constituída por cadeias lineares do tipo β (1→4) ligadas a monômeros de D-glucose sendo o principal
polissacarídeo presente na parede celular vegetal (POSÉ et al., 2018). As hemiceluloses têm como função fixar as microfibrilas de celulose visando fortalecer a parede celular vegetal; apresentam cadeias principais compostas de β (1→3 e 1→4) ligadas a monômeros de glucose,
xilose, manose e/ou arabinose, podendo conter cadeias laterais de açúcares neutros ou ligeiramente ácidos (SCHELLER; ULVSKOV, 2010). As pectinas são heteropolissacarídeos complexos, constituídas principalmente por α-D ácido galacturônico (WILLATS; KNOX;
MIKKELSEN, 2006; MAY, 1990) e suas principais funções são regular a adesão célula-célula (BILLY et al., 2008) e sinalizar respostas biológicas envolvidas no amadurecimento vegetal (POSÉ et al., 2018).
Os polissacarídeos naturais são biosintetizados em vegetais, constituem uma importante classe de materiais que desempenha funções como: espessante, gelificante, emulsificante e hidratante em suspensão e por isso, podem ser aplicadas nas áreas de alimentos, cosméticos e medicamentos (RINAUDO, 2008). Nos últimos anos, inúmeras pesquisas têm sido realizados visando utilizar resíduos agroindustriais inovadores para a extração de polissacarídeos (RUBIO-SENET et al., 2015; COLODEL et al., 2017; MARTINS; FERREIRA et al., 2017; PETKOWICZ; VRIESMANN; WILLIAMS, 2017; COLODEL; VRIESMANN; PETKOWICZ, 2018).
O Brasil destaca-se como o quarto maior produtor mundial de bananas (FAO, 2019). Apesar das bananas serem amplamente consumidas, o excedente da produção gera grandes perdas de frutos verdes (OVANDO-MARTINEZ et al., 2009) e com intuito de agregar valor a esses resíduos, foram desenvolvidos a farinha e a biomassa de banana verde (SEGUNDO et al.,
2017). A biomassa de banana verde contém sabor e odor neutro (ORMENESE, 2010) sendo utilizada como espessante em inúmeros produtos alimentícios (OI; TAMBOURGI; MORAES-JÚNIOR, 2010). Entretanto, em todas as formas de consumo, as cascas são descartadas e geram 36 milhões de toneladas de resíduos anualmente (VU; SCARLETT; VUONG, 2018).
As cascas correspondem a 40 % do total do fruto (TCHOBANOGLOUS; THEISEN; VIGIL, 1993) e inúmeros trabalhos têm explorado seu potencial para extração de polissacarídeos em diferentes estádios de maturação (EMAGA et al., 2008a; EMAGA et al., 2008b; YAPO, 2009; QIU et al., 2010; CASTILHO-ISRAEL et al., 2015; OLIVEIRA et al., 2016; SWAMY; MUTHUKUMARAPPAN, 2017; MARAN et al., 2017; MANEERAT; TANGSUPHOOM; NITITHAMYONG, 2017).
21
1.1 OBJETIVOS
Até o presente momento, ainda não existem estudos sobre a investigação dos polissacarídeos presentes na casca residual de biomassa de banana verde. A fim de abordar todos os aspectos supracitados na introdução desta tese, este trabalho foi estruturado no formato de artigos, dividida nos seguintes capítulos:
(a) Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica. Este capítulo teve como objetivo abordar os principais temas envolvidos nesta tese: banana, resíduos agroindustriais e caracterização de polissacarídeos não amiláceos.
(b) Capítulo 2- Avanços em estudos com resíduos vegetais na obtenção de substâncias pécticas: uma revisão. O objetivo deste trabalho foi destacar os avanços em estudos com substâncias pécticas a partir de resíduos vegetais inovadores, bem como, apresentar uma visão geral sobre estrutura química, técnicas de extração e potenciais aplicações nas áreas de alimentos e da saúde.
(c) Capítulo 3- Produção e caracterização da farinha da casca residual de biomassa de banana verde (Musa sapientum). O objetivo deste capítulo foi avaliar a composição físico-química, parâmetros de cor, compostos fenólicos totais e atividade antioxidante in vitro da farinha da casca residual de biomassa de banana verde.
(d) Capítulo 4- Investigação dos polissacarídeos da parede celular da casca residual de biomassa de banana verde (Musa sapientum). O objetivo desse estudo foi examinar o potencial do uso da casca residual da biomassa de banana verde para extração de pectina, empregando o planejamento experimental Box-Behnken para otimizar as condições de extração (temperatura, pH e tempo) visando obter um rendimento máximo de pectina, bem como caracterizar a pectina obtida na condição otimizada. Além disso, esse trabalho também teve como objetivo fracionar e caracterizar os polissacarídeos presentes na parede celular da casca residual de biomassa de banana verde, empregando extrações sequenciais exaustivas com a utilização de diferentes solventes.
Os dois artigos publicados em revistas indexadas e os comprovantes de trabalho parcialmente apresentado e publicado em Anais de Evento na área de Ciência dos Alimentos estão apresentados nos anexos A, B, C e D, respectivamente.
REFERÊNCIAS
ALZATE, Luz M. T. et al. The profile of bioactive substances in ten vegetable and fruit by-products from a food supply chain in Colombia. Sustainable Production and Consumption, v. 9, p. 37–43, jul. 2017.
BILLY, Ludivine et al. Relationship between texture and pectin composition of two apple cultivars during storage. Postharvest Biology and Technology, v. 47, p. 315–324, mar. 2008.
CASTILHO-ISRAEL, Katherine A. T. et al. Extraction and characterization of pectin from Saba banana [Musa “saba” (Musa acuminata x Musa balbisiana)] peel wastes: a preliminary study. International Food Research Journal, v. 22, p. 202–207, 2015.
COLODEL, Cristiane et al. Cell wall polysaccharides from pulp and peel of cubiu: a pectin-rich fruit. Carbohydrate Polymers, v. 174, p. 226–234, out. 2017.
COLODEL, Cristiane; VRIESMANN, Lúcia C.; PETKOWICZ, Carmen L. O. Cell wall polysaccharides from Ponkan mandarin (Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan) peel. Carbohydrate Polymers, v. 195, p. 120-127, set. 2018.
DEFILIPPI, Bruno G. et al. Changes in cell wall pectins and their relation to postharvest mesocarp softening of “Hass” avocados (Persea americana Mill.). Plant Physiology and Biochemistry, v. 128, p. 142–151, jul. 2018.
EMAGA, Happi T. et al. Dietary fibre components and pectin chemical features of peels during ripening in banana and plantain varieties. Bioresource Technology, v. 99, p. 4346– 4354, jul. 2008 b.
EMAGA, Happi T. et al. Characterisation of pectins extracted from banana peels (Musa AAA) under different conditions using an experimental design. Food Chemistry, v. 108, p. 463–471, maio. 2008 a.
FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) Countries: Brazil, Element: Production Quantity, Items: Bananas, Year: 2017. Disponível em: http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC. Acesso em: 25 fev. 2019.
23
MANEERAT, Nitjaree; TANGSUPHOOM, Nattapol; NITITHAMYONG, Anadi. Effect of extraction condition on properties of pectin from banana peels and its function as fat replacer in salad cream. Journal of Food Science and Technology, v. 54, p. 386–397, fev. 2017.
MARAN, J. Prakash et al. Ultrasound assisted citric acid mediated pectin extraction from industrial waste of Musa balbisiana. Ultrasonics-Sonochemistry, v. 35, p. 204–209, mar. 2017.
MARTINS, Natália; FERREIRA, Isabel C. F. R. Wastes and by-products: upcoming sources of carotenoids for biotechnological purposes and health-related applications. Trends in Food Science & Technology, v. 62, p. 22-48, abr. 2017.
MAY, Colin D. Industrial pectins: Sources, production and applications. Carbohydrate Polymers, v. 12, p. 79–99, 1990.
O’SHEA, Norah; ARENNDT, Elke K.; GALLAGHER, Eimear. Dietary fibre and
phytochemical characteristics of fruit and vegetable by-products and their recent applications as novel ingredients in food products. Innovative Food Science and Emerging
Technologies, v. 16, p. 1–10, out. 2012.
OI; Ricardo K.; TAMBOURGI, Elias B.; MORAES-JÚNIOR, Deovaldo de. Estudo de viabilidade da secagem da biomassa da banana verde em spray dryer rotativo. Exacta, v.8, p. 185-191, jul. 2010.
OLIVEIRA, Túlio Í. S. et al. Optimization of pectin extraction from banana peels with citric acid by using response surface methodology. Food Chemistry, v. 198, p. 113–118, maio. 2016.
ORMENESE, Rita de Cássia Salvucci Celeste. Obtenção de farinha de banana verde por diferentes processos de secagem e aplicação em produtos alimentícios. 2010. Tese (Doutorado em Engenharia de Alimentos) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2010.
OVANDO-MARTINEZ, Maribel et al. Unripe banana flour as an ingredient to increase the undigestible carbohydrates of pasta. Food Chemistry, v. 113, p. 121-126, mar. 2009.
PETKOWICZ, Carmen L. O.; VRIESMANN, Lúcia C.; WILLIAMS, Pete A. Pectins from food waste: Extraction, characterization and properties of watermelon rind pectin. Food Hydrocolloids, v. 65, p. 57–67, abr. 2017.
POSÉ, Sara et al. A nanostructural view of the cell wall disassembly process during fruit ripening and postharvest storage by atomic force microscopy. Trends in Food Science and Technology, v. 87, p. 47-58, maio. 2018.
QIU, Li-Ping et al. Investigation of combined effects of independent variables on extraction of pectin from banana peel using response surface methodology. Carbohydrate Polymers, v. 80, p. 326–331, abr. 2010.
RINAUDO, Margueritte. Main properties and current applications of some polysaccharides as biomaterials Polymer International, v. 57, p. 397–430, out. 2008.
RUBIO-SENENT, Fátima et al. Pectin extracted from thermally treated olive oil by-products: Characterization, physico-chemical properties, in vitro bile acid and glucose binding. Food Hydrocolloids, v. 43, p. 311–321, jan. 2015.
SCHELLER, Henrik V.; ULVSKOV, Peter. Hemicelluloses. Annual Review of Plant Biology, v. 61, p. 263–289, jan. 2010.
SEGUNDO, Cristina et al. Mechanically fractionated flour isolated from green bananas (M.
cavendishii var. nanica) as a tool to increase the dietary fiber and phytochemical bioactivity
of layer and sponge cakes. Food Chemistry, v. 219, p. 240–248, mar. 2017.
SWAMY, Gabriela J.; MUTHUKUMARAPPAN, Kasiviswanathan. Optimization of continuous and intermittent microwave extraction of pectin from banana peels. Food Chemistry, v. 220, p. 108–114, abr. 2017.
TCHOBANOGLOUS, George; THEISEN, Hilary; VIGIL, Samuel A. Integrated solid waste management: engineering principles and management issues. 1 ed. New York: Mc-Graw-Hill, 1993.
VU, Hang T.; SCARLETT, Cristopher J.; VUONG, Quan V. Phenolic compounds within banana peel and their potential uses: a review. Journal of Functional Foods, v. 40, p. 238– 248, jan. 2018.
25
WILLATS, William G. T.; KNOX, J. Paul; MIKKELSEN, Jørn D. Pectin: new insights into an old polymer are starting to gel. Trends in Food Science and Technology, v. 17, p. 97– 104, mar. 2006.
YAPO, Beda M. Pineapple and banana pectins comprise fewer homogalacturonan building blocks with a smaller degree of polymerization as compared with yellow passion fruit and lemon pectins: implication for gelling properties. Biomacromolecules, v. 10, p. 717–721, abr. 2009.
27
De acordo com a Organização de Alimentos e Agricultura das Nações Unidas (FAO-
Food and Agriculture of United Nations), no ano de 2016, a produção mundial de bananas
representou 113 milhões de toneladas (FAO, 2019). O Brasil foi o quarto maior produtor mundial de bananas, com 6,8 milhões de toneladas (FAO, 2019), gerando uma receita anual de 3,4 bilhões de dólares (LIQUINI et al., 2019).
A bananeira é uma planta monocárpica herbácea gigante, definida como não lenhosa. Seu pseudocaule é formado por camadas sucessivas de folhas sobrepostas, constituindo um conjunto rígido, denominado de rizoma. Após três ou quatro semanas do plantio a bananeira origina o primeiro broto, também conhecido como filho axial; após nove ou dez meses do plantio, a planta adquire uma folhagem brilhante, que pode atingir até 7 m de altura e produz um botão, também conhecido como coração, de onde surgem as primeiras bananas do cacho (VALLE; CAMARGOS, 2011; ISRAELI; LAHAV, 2017) (Figura 1.2).
Figura 1.2 – Morfologia da bananeira frutificada.
Fonte: adaptado de Israeli e Lahav (2017).
A banana se desenvolve em climas quentes e dependendo das condições de cultivo pode fornecer frutos entre nove e quinze meses; o pseudocaule gera frutos uma única vez, entre 10 e 14 pencas com 18 a 20 bananas cada, variando entre 5 a 40 kg (VALLE; CAMARGOS, 2011; ISRAELI; LAHAV, 2017). A banana é um fruto climatérioco (JUAREZ-GARCIA et al., 2006) e portanto os frutos são colhidos ainda verdes e armazenados sob condições controladas de
RIZOMA RAÍZES PSEUDOCAULE BROTO PECÍOLO FOLHA PENDÚCULO CACHO CORAÇÃO RAQUIS
temperatura (> 13 °C), umidade (< 75 %) e controle da relação de etileno (ISRAELI; LAHAV, 2017).
O amadurecimento total da banana pode levar entre 90 e 110 dias nos trópicos e entre 80 e 210 dias nos subtrópicos, dependendo da temperatura e das condições ambientais (ISRAELI; LAHAV, 2017). Durante o amadurecimento ocorrem inúmeras reações bioquímicas (CAMPUZANO; ROSELL; CORNEJO, 2018) que resultam em modificações sensoriais e nutricionais (TSAMO et al., 2014). O processo de maturação inclui a conversão do amido em açúcares, aumentando assim os sólidos solúveis totais, a acidez titulável e a relação polpa/casca (ADÃO; GLÓRIA, 2005; ISRAELI; LAHAV, 2017). A mudança mais visível durante esse processo está relacionada com a coloração da casca (ADÃO; GLÓRIA, 2005). A banana é classificada em oito estádios de maturação, de acordo com a Figura 1.3. A banana não é consumida in natura entre os estádios um, dois, três e oito; pois está imatura nos estádios um a três e completamente degradada no estádio oito (AURORE; PARFAIT; FAHRASMANE, 2009).
Figura 1.3 – Classificação dos estádios de maturação da banana (Musa spp.).
Fonte: adaptado de Aurore, Parfait e Fahrasmane (2009).
A banana pertence a família Musaceae e ao gênero Musa (QAMAR; AZIZUDDIN, 2018). A variação climática aumenta a diversificação dos grupos genômicos da banana (AA, AAA, AB, AAB e ABB), dessa maneira, são conhecidos mais de 1200 cultivares (ISRAELI; LAHAV, 2017). O fruto é utilizado globalmente para a nutrição humana, pois é amplamente disponível e acessível, devido ao baixo preço (ISRAELI; LAHAV, 2017).
As bananas podem ser consumidas in natura, assadas, cozidas e fritas, além disso, são empregadas na produção de bolos, geleia, farinha e fruta desidratada; bem como em bebidas: fermentadas, destiladas e à base de fruta (AURORE; PARFAIT; FAHRASMANE, 2009).
1 Totalmente
verde
Verde Mais verde que amarelo Mais amarelo que verde Amarelo com pontas verdes TOTALMENTE
AMARELO COM PONTOS AMARELO
MARRONS MARROM COM PONTOS AMARELOS 2 3 4 5 6 7 8 Totalmente verde
Verde Mais verde que amarelo MAIS AMARELO QUE VERDE AMARELO COM PONTAS VERDES Totalmente
verde Verde que amareloMais verde
Totalmente verde
Verde MAIS VERDE
QUE AMARELO Totalmente verde TOTALMENTE VERDE VERDE
29
Constitui uma valiosa fonte de energia, vitaminas e sais minerais, com propriedades sensoriais desejáveis como cor, textura e sabor (ADÃO; GLÓRIA, 2005).
A banana é fonte de micronutrientes (QAMAR; AZIZUDDIN, 2018), como vitaminas A, C e do complexo B, fitoesteróis (MOHAPATRA; MISHRA; SUTAR, 2010), aminas bioativas, como dopamina (KULMA; SZOPA, 2007) e serotonina (ADÃO; GLÓRIA, 2005), contém compostos fenólicos, carotenoides, flavonoides, compostos voláteis e minerais, principalmente potássio (MOHAPATRA; MISHRA; SUTAR, 2010). Também é fonte de macronutrientes, como fibras dietéticas (MOHAPATRA; MISHRA; SUTAR, 2010), amido e carboidratos (QAMAR; AZIZUDDIN, 2018).
Além de apresentar um sabor agradável (YANG et al., 2019) o consumo de banana é benéfico ao sistema fisiológico do consumidor e impacta positivamente nos sistemas: digestivo, hepático, circulatório, renal e ocular (AURORE; PARFAIT; FAHRASMANE, 2009). Pode atuar como agente hipoglicêmico e na cicatrização de feridas (QAMAR; AZIZUDDIN, 2018). Além disso, a banana apresenta atividades em potencial, como: antibacteriana (JAIN et al., 2011), antioxidante (JAIN et al., 2011), antidiarreico, antiúlcera (QAMAR; AZIZUDDIN, 2018), imunomoduladora (YANG et al., 2019) e antitumoral (QAMAR; AZIZUDDIN, 2018).
Estudos recentes in vitro comprovam que a polpa de banana pode ser utilizada na prevenção de doenças de Parkinson (PEREIRA; MARASCHIN, 2015), depressão e ansiedade, devido ao efeito ansiolítico, além de efeitos positivo no fortalecimento da memória (SAMAD
et al., 2017).
Apesar das bananas serem amplamente consumidas e utilizadas, o excedente da produção gera grandes perdas de bananas verdes (OVANDO-MARTINEZ et al., 2009), que são descartadas ou empregadas na alimentação animal. Os principais constituintes da polpa de banana verde são amido resistente e fibras dietéticas (JUAREZ-GARCIA et al., 2006). No entanto, não são consumidas in natura, pois apresentam um sabor adstringente (AURORE; PARFAIT; FAHRASMANE, 2009), devido ao alto teor de taninos (1670 mg/100g) (ANGELIS-PEREIRA et al., 2016). Com intuito de agregar valor a esses resíduos, as bananas verdes podem ser empregadas no desenvolvimento de farinha e biomassa de banana verde (SEGUNDO et al., 2017).
A biomassa de banana verde apresenta sabor e odor neutro (ORMENESE, 2010), e por isso, pode ser utilizada como espessante em diversos produtos alimentícios (OI; TAMBOURGI; MORAES-JÚNIOR, 2010). Pode ser empregada na produção de massas (OVANDO-MARTINEZ et al., 2009; CASTELO-BRANCO et al., 2017; ZANDONADI et al., 2012), biscoitos (AGAMA-ACEVEDO et al., 2012), pães (JUAREZ-GARCIA et al., 2006;
MARQUES et al., 2016), bolos (SEGUNDO et al., 2017), doces (MARQUES et al., 2016) e em produtos livres de glúten (GOUVEIA; ZANDONANI, 2013).
Estudos recentes in vivo comprovaram que o consumo de biomassa de banana verde modifica favoravelmente a metabolização da glucose principalmente em indivíduos pré-diabéticos, devido à presença de amido resistente (IZAR et al., 2018). Além disso, Cassetari et
al. (2019) avaliaram o efeito da combinação de biomassa de banana verde com laxantes
aplicados em oitenta crianças e adolescentes com constipação crônica e o estudo revelou que a biomassa de banana verde pode reduzir a quantidade de laxantes necessários na terapia de constipação crônica.
A produção de biomassa de banana verde consiste no processamento térmico sob pressão de bananas verdes inteiras (OI, 2011), onde o teor de taninos e a adstringência da polpa são reduzidos (AURORE; PARFAIT; FAHRASMANE, 2009). Nesse processo a polpa é aproveitada e as cascas são subutilizadas (GONZÁLEZ-MONTELONGO; LOBO; GONZÁLEZ, 2010) (Figura 1.4).
Figura 1.4 – Modelo simplificado da produção de biomassa de banana verde (Musa sapientum).
Fonte: Elaborado pela autora (2019).
Em todas as formas de consumo, as cascas de bananas são descartadas. Estas cascas são fonte de fibras dietéticas, principalmente fibras insolúveis; apresentam quantidades significativas de proteínas e de ácidos graxos insaturados, como o ácido linoleico, também contêm minerais, como o potássio (EMAGA et al., 2007) e compostos fenólicos (GONZÁLES-MONTELOGO; LOBO; GONZÁLEZ, 2010). Pesquisas recentes relatam que as cascas de banana madura podem promover a cicatrização de feridas e queimaduras, bem como pode prevenir doenças como a depressão (PEREIRA; MARASCHIN, 2015). Além disso, as cascas de banana verde apresentam propriedade antimicrobiana, contra Staphylococcus aureus,
Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Salmonella enteritidis e Escherichia coli (MOKBEL;
HASHINAGA, 2005).
BANANA VERDE
INTEIRA PROCESSAMENTO TÉRMICO SOB PRESSÃO
BIOMASSA DE BANANA
VERDE
31
Os cientistas têm atuado no desenvolvimento de novos produtos com a substituição parcial de ingredientes originais por farinhas da casca de frutos. Al-Sahlany e Al-Musafer (2018) afirmam que a inclusão de 10% de farinha de casca de banana em farinha de trigo melhora as propriedades reológicas do produto em relação ao controle. Eshak (2016) avaliou a substituição parcial da farinha de trigo por farinha da casca de banana (10 %) e concluiu que os pães produzidos foram aceitos sensorialmente, além de apresentarem um maior teor de fibras dietéticas e minerais totais em relação ao controle. Além disso, as cascas de banana apresentaram um alto teor de compostos fenólicos totais (29 mg/g) (REBELLO et al., 2014).
Devido ao alto teor de fibras dietéticas, as cascas de banana em qualquer estádio de maturação já foram exploradas para extração de polissacarídeos (EMAGA et al., 2008a; EMAGA et al., 2008b; YAPO, 2009; QIU et al., 2010; CASTILHO-ISRAEL et al., 2015; OLIVEIRA et al., 2016; SWAMY; MUTHUKUMARAPPAN, 2017; MARAN et al., 2017; MANEERAT; TANGSUPHOOM; NITITHAMYONG, 2017). No entanto, até o momento, ainda não existem trabalhos explorando a casca residual de biomassa de banana verde.
1.2 RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS
A crescente população mundial demanda uma grande produção de alimentos, principalmente de frutas e hortaliças (SAGAR et al., 2018), que por sua vez, gera uma grande quantidade de resíduos agroindustriais que impactam negativamente o meio ambiente, quando não descartadas adequadamente. Nos últimos anos, o interesse no desenvolvimento de estratégias sustentáveis e inovadoras que possam minimizar esses desperdícios tem aumentado (POINERN; FAWCETT, 2018).
Em geral, os resíduos agroindustriais não apresentam aplicação comercial (LOPEZ-VELAZQUEZ et al., 2013) e são difíceis de se tratar adequadamente (MUÑOZ-LABRADOR
et al., 2018). Tradicionalmente são destinados para compostagem, alimentação animal, aterros
sanitários, em processos de bio-transformação (geração de energia) (POINERN; FAWCETT, 2018) e em bio-fábricas (tratamento de água residuais) (MOHAN et al., 2014) (Figura 1.5).
33
ser fermentadas total ou parcialmente no intestino grosso dos seres humanos (CIULDAD-MULERO et al., 2019; DELZENNE et al., 2019).
Tendo em vista que os consumidores estão em busca de dietas mais saudáveis, a ingestão de fibras (frutas, legumes e grãos integrais) proporciona um efeito positivo na saúde (BROWNLEE et al., 2017). A ingestão recomendada de fibras dietéticas é de 25g/ dia para mulheres e 38g/dia para homens (EVERT et al., 2013). As fibras dietéticas exercem um efeito fisiológico benéfico em todo o trato gastrointestinal (GUILLON; CHAMP, 2000). Dentre os benefícios, pode-se destacar a propriedade hipocolesterolêmica (redução do LDL colesterol) (CIULDAD-MULERO et al., 2019), redução da absorção de ácidos graxos (MCRAE, 2017), redução da glicemia sanguínea e da glucose pós-prandial (DAÍ; CHAU, 2017), redução da pressão sanguínea, redução de processos inflamatórios e aumento do bolo fecal (MCRAE, 2017).
As fibras dietéticas podem atuar na prevenção de diversas doenças, como: diverticulite, constipação (CIULDAD-MULERO et al., 2019), doenças cardiovasculares (MCRAE, 2017), diarreia (QI; TESTER, 2018) e depressão (XU et al., 2018). Além disso, o consumo de fibras pode reduzir o risco do desenvolvimento de Diabetes tipo 2 (entre 20 e 30 %) (WEICKERT; PFEIFFER, 2017). Os efeitos benéficos proporcionados pela ingestão de fibras estão relacionados com o aumento do volume fecal, por meio da absorção de água (DAÍ; CHAU, 2017) e seus diversos fatores metabólicos estão sintetizados na Figura 1.6.
Figura 1.6 – Efeito da ingestão de fibras dietéticas sobre diversos fatores metabólicos no organismo humano.
Fonte: adaptado de Weickert e Pfeiffer (2017).
No entanto, dependendo da composição e das propriedades físico-químicas das fibras dietéticas, as atividades fisiológicas proporcionadas ao organismo podem variar (DAÍ; CHAU, 2017). O interesse científico em fibras dietéticas vem aumentando, não somente pelos benefícios nutricionais, mas também devido às aplicações tecnológicas desses componentes (CIULDAD-MULERO et al., 2019).
As fibras dietéticas são classificadas de acordo com sua solubilidade (DAÍ; CHAU, 2017; CIULDAD-MULERO et al., 2019), onde estão incluídos: polissacarídeos não-amiláceos (celulose, hemicelulose e pectina), oligossacarídeos resistentes, lignina e amido resistente (CIULDAD-MULERO et al., 2019) (Figura 1.7).
SOLÚVEL INSOLÚVEL
ATRIBUTOS TÍPICOS
EFEITOS CHAVE EFEITOS CHAVE
EFEITOS COMPARTILHADOS
VISCOSIDADE; FORMAÇÃO DE GEL;
FERMENTAÇÃO;
PRODUÇÃO DE CADEIAS CURTAS DE ÁCIDOS GRAXOS;
EFEITOS NA MICROBIOTA INTESTINAL;
NÃO VISCOSO;
SEM FORMAÇÃO DE GEL;
FERMENTAÇÃO MODERADA, SEM EFEITO NAS CADEIAS CURTAS DE ÁCIDOS GRAXOS.
RESPOSTA DA GLUCOSE PÓS-PRANDIAL;
COLESTEROL LDL;
ESVAZIAMENTO GÁSTRICO.
TEMPO DO TRÂNSITO INTESTINAL; ABSORÇÃO DE PROTEÍNAS; RESISTÊNCIA A INSULINA. SACIEDADE EFEITO DE VOLUME GANHO DE PESO INFLAMAÇÃO
35
Figura 1.7 – Componentes das fibras dietéticas de acordo com a solubilidade.
Fonte: adaptado de Ciuldad-Mulero et al. (2019).
1.2.2 Polissacarídeos não amiláceos
A parede celular vegetal é composta predominantemente por água, celulose, hemicelulose e pectina (Figura 1.8), e em menor teor por estruturas de glicoproteínas, ésteres fenólicos, minerais e enzimas (SILA et al., 2009). Apresenta funções fundamentais na integridade dos vegetais (LITTLE et al., 2018) e atua em diversos processos bioquímicos, como crescimento e diferenciação celular, comunicação intercelular e nos mecanismos de movimentação de água e de defesa (COSGROVE, 2005).
FIBRA DIETÉTICA
SOLÚVEL
(fermentação colônica total) (fermentação colônica parcial)INSOLÚVEL
GOMAS PECTINAS MUCILAGENS
HEMICELULOSES INULINAS β-GLUCANAS OLIGOSSACARÍDEOS ARABINOXILANOS CELULOSES LIGNINA AMIDO RESISTENTE
Arabinoxilanas apresentam a cadeia principal composta por β (1→4) D-xilose,
ramificada com arabinose. Mananas também são encontradas na parede celular primária, provavelmente da mesma forma que xiloglucanas e arabinoxilanas (COSGROVE, 2005). No entanto, a estrutura química das hemiceluloses pode variar de espécie para espécie. Por isso, a literatura apresenta diferentes estruturas químicas, como galactomanana, galactoglucomanana, glucuronoxilana, glucuronoarabinoxilana (SCHELLER; ULVSKOV, 2010), entre outros.
Além das principais, existem outros tipos de hemiceluloses. As xilanas estão presentes principalmente em plantas monocotiledôneas, mas podem ser encontrados em pequena quantidade em plantas dicotiledôneas. Glucomananas estão presentes principalmente em gimnospermas, podendo ser encontrada em pequenas quantidades nas angiospermas. As mananasm e galactomananas são polímeros de reserva de alguns cotilédones e a glucuronomanana pode ser encontrada em pequenas quantidades nas paredes celulares vegetais (WALDRON; PARKER; SMITH, 2003).
As hemiceluloses são amplamente utilizadas pelas indústrias cervejeiras e de panificação (SCHELLER; ULVSKOV, 2010). Geralmente a extração ocorre com o uso de agentes quelantes (oxalato de amônia) e álcalis (hidróxido de sódio) (LE-BOURVELLEC; GUYOT; RENARD, 2009).
A pectina é um polissacarídeo aniônico extraído da parede celular de plantas e frutos fibrosos (MAJDOUB et al., 2001); provavelmente o mais complexo encontrado na natureza (RIDLEY; O’NEIL; MOHNEN, 2001) composto principalmente por ácido α-D-galacturônico
(MAY, 1990). A abundância de pectina e seus detalhes estruturais diferem entre tipos de células e espécies (SILA et al., 2009) e a exata estrutura química ainda está em discussão, mas os cientistas consideram quatro principais domínios: homogalacturonana (HG), ramnogalacturonana I (RG I), ramnogalacturonana II (RG II) e xilogalacturonana (XG) (RIDLEY; O’NEIL; MOHNEN, 2001; LECLERE; CUTSEM; MICHIELS, 2013).
HG apresenta uma cadeia linear composta por ácido α-D-galacturônico, que pode ser parcialmente metil esterificadas no C-6 ou acetiladas em O-3 e/ou O-2 (RIDLEY; O’NEIL; MOHNEN, 2001) (Figura 1.12).
galacturônico estão esterificados, a pectina é classificada com baixo grau de metil-esterificação (BGM) (WILLATS; KNOX; MIKKELSEN, 2006). Essa classificação determina a aplicabilidade desse polissacarídeo, principalmente em relação à propriedade gelificante. Pectinas AGM formam gel em alta concentração de açúcar e em baixo pH, dessa maneira, podem ser aplicadas em geleias e bebidas. Já as pectinas BGM formam gel na presença de íons divalentes, como o cálcio, e não requerem a presença de açúcar para a formação de gel, por isso, são majoritariamente aplicadas em produtos dietéticos, extrato aquoso de soja e em derivados lácteos (MAY, 1990).
Os processos bioquímicos da pectina estão relacionados com a capacidade de ligação com cálcio e boro, onde os domínios podem ser ligados covalentemente, formando uma rede maciça e grande (COSGROVE, 2005) (Figura 1.13 A). A HG de baixa metil-esterificação pode ligar-se ao cálcio e formar géis rígidos (Figura 1.13 B), já quando HG apresenta alta metil-esterificação ocorre a redução de íons negativos, dessa maneira, ocorre redução da interação com cálcio e enfraquecimento do gel, auxiliando no processo de expansão da parede celular. Os domínios de RG II podem ligar-se com boro (Figura 1.13 C) e atuar no controle da porosidade e espessura da parede celular (COSGROVE, 2005).
Figura 1.13 – Formação de rede de pectina por ligações covalentes e iônicas. A: Demonstra como os domínios de pectina podem ser ligados covalentemente. B: Expõe as ligações iônicas de homogalacturonana com cálcio. C: Apresenta ligações di-éster da ramnogalacturonana II com Boro.
Fonte: adaptado de Cosgrove (2005).
Ramnogalacturonana I Homogalacturonana Xilogalacturonana Ramnogalacturonana II Boro Cálcio Arabinana A B C
41
Os principais parâmetros considerados para extração de pectina são razão sólido/ líquido, pH, temperatura e tempo (CANTERI et al., 2005). Geralmente são utilizados ácidos minerais ou orgânicos na extração (VRIESMANN; PETKOWICZ, 2017). No entanto, a técnica de extração utilizada pode influenciar nas propriedades funcionais da pectina obtida (GERSCHENSON, 2017) e para controlar o rendimento e as características da pectina, pode-se optar pelo uso de ferramentas estatísticas, como planejamentos experimentais.
1.3 CARACTERIZAÇÕES DE POLISSACARÍDEOS NÃO AMILÁCEOS 1.3.1 Monossacarídeos neutros
O conhecimento sobre a distribuição e a quantidade de monossacarídeos em alimentos de origem vegetal é essencial, uma vez que estão envolvidos em muitas características importantes, como sabor, autenticidade e qualidade (BRUNTON; GORMELEY; MURRAY, 2007). Os polissacarídeos são provenientes de uma ampla gama de matérias-primas, bem como as mais variadas técnicas de extração, que interferem em suas características químicas e afetam suas propriedades tecnológicas (MARENDA et al., 2019a).
A cromatografia gasosa é a técnica mais utilizada na quantificação dos monossacarídeos neutros, devido à relativa simplicidade na interpretação dos cromatogramas, em comparação a outras técnicas analíticas (BRUNTON; GORMELEY; MURRAY, 2007).
Para determinar os monossacarídeos neutros (ramnose, fucose, arabinose, xilose, manose, galactose, glucose e ácidos urônicos) presentes em polissacarídeos, é necessário realizar a derivatização da amostra em acetato de alditol. Basicamente a amostra é hidrolisada em meio ácido aquoso, reduzida em alditol, utilizando boro-hidreto de sódio (NaBH4), e a
acetilação é completada com a adição de ácido anidrido acético (Ac2O) e de piridina
(catalisador), que por fim produz o acetato de alditol (BEMILLER, 2019). A Figura 1.14 ilustra um exemplo da derivatização do acetato de alditol da molécula D-glucose, reduzida com NaBH4
a D-glucitol, que por sua vez é acetilado com Ac2O para formar o 1, 2, 3, 4, 5, 6 hexa-acetato
Figura 1.14 – Exemplo da derivatização da molécula D-glucose em acetato de alditol.
Fonte: adaptado de BeMiller (2019).
Os acetatos de alditol são suficientemente voláteis e dessa maneira são analisados por cromatografia gasosa (BEMILLER, 2019). Os analitos (acetato de alditol) são injetados na coluna e distribuídos entre a fase móvel e a fase estacionária durante o processo, dependendo da afinidade com a fase estacionária, cada pico é eluído em um determinado tempo e corresponde à um componente da amostra analisada, formando o cromatograma (KOLOMNIKOV et al., 2018). No entanto, alguns picos podem ser eluídos ao mesmo tempo, dificultando assim a interpretação dos resultados, dessa maneira podem ser acoplados detectores ao equipamento, como o detector de espectroscopia de massa, que fornece informações estruturais adicionais do composto analisados (RUIZ-MATUTE et al., 2018).
O cromatógrafo gasoso é constituído por três partes principais: injetor, forno e detector. Os acetatos de alditol secos são solubilizados em um solvente volátil (geralmente acetona) e são introduzidos no cromatógrafo através do injetor, onde a amostra é transportada por um gás inerte (hélio ou nitrogênio) dentro da coluna de separação, através do forno (que atinge temperaturas de até 250 °C). A amostra é volatilizada e encaminhada ao detector, o qual envia o sinal de cada componente identificado para o sistema de aquisição. Cada pico obtido é comparado a uma curva padrão de monossacarídeos neutros previamente injetados no equipamento (RUIZ-MATUTE et al., 2018). A Figura 1.15 apresenta um sistema básico do cromatógrafo gasoso.
D-glucose D-glucitol D-glucitol Acetilado
43
Figura 1.15 – Esquema básico do cromatógrafo gasoso.
Fonte: adaptado de Ruiz-Matute et al. (2018).
Os monossacarídeos neutros também podem ser identificados e quantificados por cromatografia de troca aniônica de alto desempenho (HPAEC) com detecção amperométrica pulsada (PAD) (KOUBALA et al., 2014; GARNA et al., 2007; CHRISTIAENS et al., 2015; YAPO, 2010).
A técnica de HPAEC-PAD permite que os monossacarídeos sejam separados com alta resolução em uma única corrida (CORRADINI; CAVAZZA; BIGNARDI, 2012), com vantagens como velocidade de análise, alta resolução e alta sensibilidade (LEE, 1996). As amostras são hidrolisadas em ácido trifluoroacético; a temperatura do processo pode variar entre 80 e 98 °C e o tempo de hidrólise entre 1 e 16 horas, uma vez que cada polissacarídeo exige um tipo de hidrólise (IP et al., 1992). Posteriormente a hidrólise, a amostra é evaporada até a secura, solubilizada em água ultrapura e filtrada em membrana de acetato de celulose de 0,22 μm para evitar a entrada de contaminantes na coluna (NAGEL et al., 2014). Durante a análise, uma solução de hidróxido de sódio (0,1 mol L-1) é utilizada na composição do eluente, onde se
recomenda manter uma atmosfera de gás inerte (nitrogênio ou hélio), visando minimizar as contaminações com dióxido de carbono (CATALDI; CAMPA; BENEDETTO, 2000). Uma molécula de monossacarídeo possui vários grupamentos hidroxilas ionizáveis, com a seguinte hierarquia de acidez: 1-OH> 2-OH ≥ 6-OH >3-OH >4-OH (CATALDI; CAMPA; BENEDETTO, 2000). Em condições alcalinas, os grupamentos hidroxilas dos carboidratos são parcialmente transformados em oxiânions, permitindo que os monossacarídeos neutros sejam
GÁS INJETOR FORNO COLUNA DETECTOR SISTEMA DE AQUISIÇÃO
facilmente separados pela coluna de troca aniônica (CORRADINI; CAVAZZA; BIGNARDI, 2012).
O detector PAD apresenta alta sensibilidade na detecção de carboidratos, comparando a amostra com os padrões de cada estrutura fornecida, utilizando diferenças pequenas nos pKa’s dos grupamentos OH dos monossacarídeos (LEE, 1996). A separação dos monossacarídeos neutros ocorre com base nas propriedades fracamente ácidas e a detecção emprega o mecanismo de oxidação eletrocatalítica presente no eletrodo de ouro, cuja superfície é capaz de catalisar a oxidação de compostos contendo grupamento –COH em soluções com pH elevado, proporcionando um efeito seletivo na determinação de açúcares redutores, não-redutores, deoxi-acúcares, amino-açúcares, açúcares ácidos, entre outros (CATALDI; CAMPA; BENEDETTO, 2000).
O ácido galacturônico é o principal monômero presente nas pectinas (MAY, 1990), mas também pode estar presente em outros polissacarídeos não amiláceos (COLODEL; VRIESMANN; PETKOWICZ, 2018). Os métodos colorimétricos são utilizados para quantificar o teor de ácidos urônicos nas amostras de carboidratos, no entanto, podem levar a uma subestimação ou uma superestimação (RONDEL; MARCATO-ROMAIN; GIRBAL-NEUHAUSER, 2013). Já com a utilização do método de meta-hidroxidifenil (MHDP) desenvolvido por Blumenkrantz e Asboe-Hansen (1973) a interferência é menor, além de ser o mais sensível e específico na quantificação de ácidos urônicos (RONDEL; MARCATO-ROMAIN; GIRBAL-NEUHAUSER, 2013), também é o mais utilizado (GRASSINO et al., 2018).
O método MHDP pode empregar o ácido trifluoroacético na hidrólise de pectina, que não degrada os ácidos urônicos presentes na amostra (CHRISTIAENS et al., 2015). Este método é baseado na hidrólise de polissacarídeos em ácido urônico, hexoses e pentoses em solução de ácido sulfúrico concentrado e tetraborato de sódio. Esses compostos formam complexos com reagentes cromogênicos, e a coloração obtida é proporcional à quantidade de ácido urônico presente na amostra (GRASSINO et al., 2018), comparada com uma curva padrão de ácido galacturônico geralmente na proporção de 5 a 100 μg/ mL (MARENDA et al., 2019b), (Figura 1.16).
45
Figura 1.16 – Exemplo de padrão de ácido galacturônico (5-100 μg/ mL) após o procedimento com adição de ácido sulfúrico concentrado e tetraborato de sódio.
Fonte: Elaborado pela autora (2019).
No entanto, a utilização de tetraborato de sódio, ácido bórico ou borato com a adição de ácido sulfúrico concentrado a quente exige cuidados especiais de segurança laboratorial (GRASSINO et al., 2018). O método desenvolvido por Nagel et al. (2014) utilizando HPAEC-PAD também pode quantificar os ácidos urônicos após hidrólise das amostras com ácido trifluoroacético; esse método apresenta uma alta resolução em comparação a outros métodos cromatográficos utilizados na quantificação de ácidos urônicos em carboidratos (NAGEL et al., 2014).
1.3.2 Massa molar e distribuição molecular
A cromatografia de exclusão por tamanho de alto desempenho (HPSEC) é utilizada para estimar a massa molar e a distribuição de polissacarídeos (KOUBALA et al., 2014; CHRISTIAENS et al., 2015; GRASSINO et al., 2018). A HPSEC consiste na separação de moléculas de acordo com o tamanho. A amostra injetada passa pela coluna que contém a fase estacionária (constituída por géis de dextrana e agarose) e apresenta poros de tamanhos controlados, que regulam a entrada e saída dos componentes da amostra. Esses componentes podem permear parcialmente ou completamente na fase estacionária, sem ter qualquer interação com a mesma. As moléculas de alta massa molar são eluídas primeiro, em seguida as moléculas de média massa molar e por último as moléculas de baixa massa molar, juntamente com o volume morto (COLLINS, 2011; BREZISKI; GORCZYCA, 2019) (Figura 1.17).
Figura 1.17 –Separação de amostra constituída por diferentes massas molares através de cromatografia de exclusão por tamanho de alto desempenho.
Fonte: adaptado de Collins (2011).
A fase móvel da HPSEC consiste em uma solução aquosa de 0,1 mol L-1 de nitrato de
sódio (NaNO3); tanto a amostra quanto a fase móvel são previamente filtradas em membrana
de acetato de celulose (0,1- 0,2 μm) e desgaseificadas por duas horas em bomba à vácuo (YOU; LIM, 2000; GÓMEZ-ORDÓÑEZ; JIMÉNEZ-SCRIG; RUPÉREZ, 2012). O equipamento de HPSEC basicamente é constituído por: fase móvel, desgaseificador, bomba de alto desempenho, sistema de injetor (manual ou automático), coluna de separação e detectores (JUMEL, 2002; FEKETE et al., 2014) (Figura 1.18).
Figura 1.18 – Esquema dos componentes do sistema de cromatografia de exclusão por tamanho de alto desempenho, acoplado a detectores normalmente utilizados em análises de polissacarídeos.
Fonte: adaptado de Fekete et al. (2014). FASE MÓVEL BOMBA INJETOR AUTOMÁTICO COLUNA RESÍDUO DESGASEIFICADOR UV RI MALLS
