UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MATO GROSSO DO SUL
CURSO DE FÍSICA AMBIENTAL
Wilker Solidade da Silva
Aplicação da Espectroscopia Infravermelha para caracterização
de suplementos energéticos usados na alimentação bovina
Dourados – MS
2009
Wilker Solidade da Silva
Aplicação da Espectroscopia Infravermelha para caracterização
de suplementos energéticos usados na alimentação bovina
Monografia apresentada como Trabalho de
Conclusão de Curso (TCC), do curso de Física
Ambiental da Universidade Estadual de Mato
Grosso do Sul (UEMS), como requisito parcial
para a obtenção do grau de licenciatura em
Física. Orientador: Prof Dr. Armando Cirilo
de Souza
Dourados – MS
2009
7
S584a
Silva, Wilker Solidade da
Aplicação da Espectroscopia Infravermelha para
caracterização de suplementos energéticos usados na
alimentação bovina/ Wilker Solidade da Silva. Dourados, MS:
UEMS, 2009.
37p. ; 30cm
Monografia (Graduação) – Física Ambiental –
Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul, 2009.
Orientador: Prof. Dr Armando Cirilo de Souza
1. Espectroscopia infravermelha 2. Caracterização de
suplementos 3. Alimentação bovina I. Título
Cdd 20.ed. – 543.086
8
Dedico este trabalho a meus pais, Tobias e
Raquel, e aos conselheiros, Madson e Meire Dayane.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, e a todos meus amigos que, de alguma forma contribuíram
para que eu alcançasse meu objetivo.
Em especial, agradeço à Maryleide e Francylaine, por terem confiado em mim e
auxiliado no desenvolvimento deste trabalho, assim como o professor Armando Cirilo
por me proporcionar mais esta experiência à minha vida profissional.
A coordenação do curso de Física Ambiental, Valéria, Simone e Profº Nilson,
que mesmo em tempos difíceis sempre me auxiliaram nos anos que seguiram minha
graduação, e a professora Karin, pelo apoio dado ao som de Kitaro.
Gostaria de agradecer a alguns amigos em especial, dos quais sempre ouvi
palavras de incentivo, para nunca desistir de acreditar no impossível: Elizangela (Eliz),
por estar sempre ao meu lado; Osmar, por não se preocupar com as minhas
preocupações; Vanuza, por me ensinar o significado da ironia; ao meu grande amigo
Leandro Belo, por sempre estar ao meu lado, independente das situações; Matheus,
Juka, Thiago, Gledson, Hitoshi, Ellen e Miro, pelas conversas sobre tudo e os caminhos
trilhados para o conhecimento; aos meus irmãos, por fazer parte da minha vida, e por
fim, à mim mesmo, por acreditar nos amigos, e lutar pelos objetivos traçados.
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“Conhecer não é demonstrar nem explicar, é aceder à visão”.
Antonie de Saint-Exupéry
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SUMÁRIO
Resumo................................................................................................................07
1. Introdução........................................................................................................09
2. Fundamentação Teórica...................................................................................10
2.1 Alimentação Animal..................................................................................11
2.2 Rebanho Leiteiro.......................................................................................13
2.3 Efeito Fotoacústico....................................................................................15
2.4 Espectroscopia no Infravermelho..............................................................19
3. Metodologia....................................................................................................23
4. Resultado e Discussões...................................................................................24
4.1 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho........................27
4.2 caracterização das amostras....................................................................28
4.3 Importância Nutricional..........................................................................30
5. Conclusões.......................................................................................................32
6. Referência Bibliográfica..................................................................................33
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Resumo
A alimentação animal desempenha um papel crucial no melhor aproveitamento
econômico do rebanho para o pecuarista, sendo indispensável o conhecimento dos
valores nutritivos que compõem uma boa alimentação, para assim, oferecer ao animal as
condições para seu maior rendimento.
A análise de suplementos energéticos que compõem a composição alimentar
animal tem por objetivo o conhecimento dos compostos que melhor se enquadram nos
padrões nutricionais já conhecidos.
Uma técnica que vem sendo cada vez mais utilizada em muitas áreas é a análise
por espectroscopia no infravermelho com Transformada de Fourier aplicando a técnica
Fotoacústica. A análise por FTIR-PAS fornece em pouco tempo a composição espectral
dos elementos analisados, e com o auxilio de tabelas de correlação espectral pode-se
conhecer o grupo funcional e a composição do produto analisados.
A comparação dos espectros mostrou a presença de ácidos graxos, ésteres
graxos, amidas, sais de ácidos graxos, sais de enxofre e alcanos, que foram
quantitativamente identificados nas amostras. Os resultados obtidos mostram que a
técnica FTIR-PAS pode ser utilizada para caracterização de outras substâncias, mesmo
sem seu conhecimento prévio, apresentando assim uma ferramenta fundamental na
caracterização de substâncias.
Palavras Chave: Suplemento alimentar, Espectroscopia Fotoacústica, Ácidos Graxos.
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Abstract
The nutrition plays a crucial role in making better use of the flock can offer in
the form of economic profits for the farmer, being indispensable the knowledge of
nutritional values that compete a good nutrition, thus, give to the animal all the possible
energy sources for its higher yield.
The analysis of energy supplements that compose the animal feed composition
aims at the knowledge of the compositions that better are framed in the nutritional
standards known as extra source of energy.
A technique that has been increasingly used in a lot of areas is the analysis by
infrared spectroscopy with Fourier Transform applying the Photoacoustic technique.
Presenting several positive factors, the analysis for FTIR-PAS provides in few time the
spectral composition of the analyzed elements, and with the help of tables of spectral
correlation can be known the functional group and the composition of the product
analyzed.
The comparison of the spectra showed the presence of fatty acids, fatty esters,
amides, salts of fatty acids, salts of sulfur and alkanes, that were quantitatively
identified in the samples. The obtained results show that the FTIR-PAS technique can
be used as technique for characterization of other substances, even without previous
knowledge, thereby presenting a fundamental tool in the composition of the
characterization techniques of substances.
Keywords: food supplement, Photoacoustic Spectroscopy, Fatty Acids.
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1. Introdução
A análise de uma amostra tem como objetivo conhecer sua composição. Os
desenvolvimentos tecnológicos associados a descobertas científicas vêm aprimorando a
qualidade dos alimentos e aumentando a capacidade de se utilizar informações que antes
não eram percebidas ou não eram reconhecidas por causa da complexidade da amostra
ou dos dados dela retirados. A interdisciplinaridade vem estabelecendo relações e
normas para melhor interpretar as informações obtidas a partir de uma análise
(Ferrarini, 2004). Muitas técnicas têm sido desenvolvidas para que os resultados destas
análises sejam os mais acurados possíveis.
Uma técnica que vem sendo cada vez mais utilizada em muitas áreas é a análise
por espectroscopia no infravermelho. O preparo da amostra para este tipo de análise é
simples e os espectros trazem muitas informações a respeito da natureza da amostra,
além de ser um método não destrutivo.
Espectroscopia é um método muito útil na determinação de estruturas de
compostos orgânicos porque pode identificar muitos grupos funcionais a partir da
interação da radiação eletromagnética com a matéria. A espectroscopia no
infravermelho, em especial, mede a excitação vibracional dos átomos envolvidos em
uma ligação química. As posições das linhas de absorção dependem do tipo de grupo
funcional presente, e o espectro, como um todo, apresenta um padrão único para cada
substância (Peter et al, 2004).
A utilização de técnicas baseadas na Espectroscopia no Infravermelho
correlacionadas ao uso do Efeito Fotoacústico (FTIR-PAS) vem acoplando o
desenvolvimento de métodos de caracterização de substâncias líquidas, gasosas e
sólidas, sendo assim uma ferramenta de grande utilidade para a caracterização de
compostos orgânicos ou inorgânicos.
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O presente trabalho tem como objetivo realizar a caracterização do suplemento
energético alimentar Megalac-E, utilizando a técnica FTIR-PAS, de modo a identificar
elementos presentes na composição do produto.
2. Fundamentação Teórica
2.1 Alimentação animal
Na criação e exploração do gado, a alimentação tem um papel importante sobre
a produção, e saúde do rebanho. A dieta nutricional bovina tem influência direta sobre a
capacidade de produção individual e indireta sobre o desempenho do rebanho ou da raça
(Andriguetto et al, 1984).
A nutrição acompanha as exigências do mercado e consegue desenvolver formas
de melhor aproveitamento criação-lucratividade. As pesquisas com produção animal
resultaram em uma melhora na conversão alimentar, trazendo ao pecuarista inúmeras
opções para a maior rentabilidade na criação bovina, buscando suprir as necessidades de
outros nutrientes essenciais na alimentação para o desenvolvimento animal, como
proteína, lipídeos, sais minerais e vitaminas.
Com exclusão da água, restam dos alimentos a matéria seca (MS), que é
composta por carboidratos, lipídeos, proteínas, vitaminas e sais minerais. Os
carboidratos, à semelhança das graxas, funcionam como fontes de energia, pois ao
serem metabolizados no organismo animal liberam calor e energia, usados para
manutenção da temperatura do corpo do animal, formação de tecidos, produção de
açúcar e gordura no leite, suprimento de energia para a atividade metabólica.
No manejo do rebanho bovino, o conhecimento sobre a fermentação ruminal e a
digestão intestinal dos alimentos é imprescindível para uma correta adequação da
composição que a dieta deve apresentar, no intuito de atender às demandas do animal,
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permitindo-o atingir o melhor desempenho (Costa, 2003). Unindo a utilização de
métodos de identificação de elementos nutritivos com a técnica de melhoramento do
crescimento animal, encontra-se um fator ímpar para o impulso desse crescimento: o
suplemento alimentar.
Suplemento alimentar exerce a função de repor as energias necessárias para que
o animal continue a manter seu desenvolvimento padrão, e tanto em bovinos leiteiros
como de corte, representa um auxilio importante na exploração do máximo potencial
que ele pode responder.
Suplementos lipídicos têm sido usados em dietas bovinas com os objetivos de
aumentar a produção de leite e reduzir a mobilização corpórea, pois proporciona um
aumento da capacidade de absorção de vitaminas lipossolúveis, além de fornecer ácidos
graxos essenciais importantes para as membranas de tecidos e, principalmente, atuar
como precursor para regulação do metabolismo, aumentando a deposição de gordura em
seus produtos, como vacas em lactação (Palmquist & Matos, 2006).
Para Henderson (1973) a adição de lipídeos (gorduras) à dietas de bovinos
aumenta a densidade energética da dieta, porém pode causar um impacto negativo na
fermentação ruminal em digestão das fibras, além de ocasionar problemas metabólicos.
Estes alimentos inibem o crescimento e metabolismo dos microrganismos ruminais pela
ação dos ácidos graxos de cadeia longa.
A utilização de fontes de proteínas vinculadas ao custo da ração aumenta os
gastos da criação bovina, tornando-se essencial o conhecimento do seu uso de maneira
adequada para minimizar as perdas por fermentação ruminal (Barbosa, 2001). Essa
perda ocorre pela desaminação de aminoácidos por bactérias e protozoários ruminais,
causando acúmulo de amônia no rúmen e excreção de uréia na urina, o que causa perda
energética e diminuição da eficiência da utilização do nitrogênio alimentar.
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Para redução dessa perda energética, a manipulação da fermentação ruminal tem
sido empregada para aumentar a produtividade animal e reduzir as perdas por
fermentação indesejáveis. No caso do metabolismo das proteínas, isto pode ser feito
com uso de fontes de proteínas com menor degradabilidade ruminal, mas de boa
qualidade; uso de maior quantidade de proteína degradada em rações, quando há maior
disponibilidade de carboidratos (Barbosa, 2001).
No rúmen, se mantidas condições adequadas de temperatura, ocorrem
anaerobiose, remoção de produtos da fermentação e crescimento microbiano intenso,
além de muitos outros fatores importantes para o ecossistema ruminal. Os
microrganismos ruminais principalmente as bactérias, representam a principal fonte de
proteína para os ruminantes, podendo satisfazer de 50 a 100% das exigências diárias de
proteína. Não obstante, esses microrganismos atuam sobre a proteína dietética, no
intuito de produzir a proteína microbiana, alterando de forma considerável as
características originais da proteína do alimento que adentra o rúmen (Costa, 2003).
O uso de gorduras protegidas também conhecidas como inertes, contém entre 80
a 90% de lipídeos e podem escapar da fermentação ruminal e não atuarem de forma
negativa na digestão das paredes celulares das forragens no rúmen, além de serem de
fácil manuseio e possuírem um período de conservação maior do que as gorduras não
protegidas (Chalupa & Ferguson, 1990).
A proteção das gorduras é usualmente obtida através da formação de sais de
cálcio de ácidos graxos de cadeia longa, pois os sais de cálcio de ácidos graxos são
insolúveis no rúmen onde o pH é mais elevado e solúveis no abomaso onde o pH é
ácido (Chalupa & Ferguson, 1990).
Dessa forma, é necessária a busca por fontes lipídicas, visando a melhor
contribuição energética para o animal, sem comprometer o ambiente ruminal.
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Os cultivares de soja apresenta de 15 a 25% de lipídeos, e no aspecto da nutrição
de ruminantes, a soja grão pode ser considerada suplemento lipídico parcialmente
protegido da hidrogenação ruminal, visto que as gotículas de lipídios em sementes
oleaginosas se encontram inseridas na matriz protéica dos grãos, conferindo-lhes
proteção natural (Silva et al, 2007).
Megalac-E é um produto feito a partir de óleo vegetal que passa por um processo
de saponificação (sais de cálcio) para proteção dos ácidos graxos polinsaturados de
cadeia longa, é um dos suplementos alimentares com maiores resultados na dieta
animal, pois é capaz de suprir todas as necessidades energéticas não atendidas pelo
restante da dieta, tendo, portanto influência positiva na produção de leite e gordura, na
curva de lactação, e na condição corporal do animal (QGN, 2009).
2.2 Rebanho leiteiro
Em rebanhos leiteiros, a reprodução é essencial para a produção de leite e para a
reposição do plantel, e os ácidos graxos essenciais (AGE) são responsáveis por esta
função (Bruckental et al, 1989).
Os ácidos graxos são definidos como compostos que possuem cadeia longa de
hidrocarbonetos e estrutura terminal com grupo carboxila, sendo que tal substância pode
ser encontrada em grandes quantidades em sistemas biológicos, raramente em forma
livre, sendo tipicamente identificado ligado a moléculas de glicerol ou outras estruturas
que se unem ao carbono terminal (Lehninger, 2005).
A fonte primária para síntese dos ácidos graxos é o acetato proveniente do
rúmen, sendo que o tecido adiposo e a glândula mamária (tecido alveolar) constituem-se
como os principais destinos para sua síntese (Gonzáles, 2003).
19
Apesar de ser extremamente importante para o metabolismo animal, os ácidos
graxos essenciais poliinsaturados não são sintetizados pelas células do organismo,
devendo ser adquiridos através da alimentação extra, pois têm capacidade de se
transformar em substâncias biologicamente mais ativas, com funções especiais no
equilíbrio homeostático, e como componente estrutural das membranas celulares.
Existem duas classes de ácidos graxos essenciais, são eles ômega-3 (ácido linolênico) e
ômega-6 (ácido linoléico). O ácido graxo ômega-3 é encontrado principalmente nos
peixes e óleos de peixe (origem animal). Por outro lado, as melhores fontes alimentares
de ácido graxo ômega-6 são os óleos vegetais (girassol, milho, soja, algodão)(Ribeiro &
Seravalli, 2004).
Na alimentação o valor da gordura como combustível fisiológico é de 9 Mcal/kg,
equivalente a cerca de 2,25 vezes a energia fornecida por carboidratos e proteínas, mas
isso, desde que seja absorvida e fique a disposição para ser metabolizada (energia
metabolizável). Portanto, a obtenção da energia varia em função da digestibilidade de
cada fonte de gordura (Freitas Junior, 2008), e o que mais interfere na digestibilidade
dos ácidos graxos seria o grau de insaturação. Assim, quanto mais insaturado o ácido
graxo, maior sua digestibilidade e, portanto, seu valor energético (Medeiros, 2008).
Geralmente, os nutrientes utilizados na alimentação de vacas leiteiras não
conseguem repor os ácidos graxos essenciais secretados no leite, pois, como os ácidos
graxos insaturados (i.e. ácidos graxos com ligações duplas entre pelo menos dois
carbonos) são os mais tóxicos a microbiota ruminal desenvolveu uma estratégia para
reduzir a insaturação dos ácidos graxos com a colocação de hidrogênio (biohidrogenação) nestas duplas ligações, transformando-as em ligações simples ou
saturadas (Mederios, 2008).
20
O suplemento mineral Megalac-E possui a concentração ideal dos ácidos graxos
essenciais que, por estarem protegidos, tem alta absorção no intestino, repondo esta
perda, apresentando assim um alto beneficio já que apenas 15-25% dos ácidos graxos
poliinsaturados presentes nos alimentos convencionais (extrato etéreo dos grãos,
sementes oleaginosas, sebos e óleos) alcançariam o intestino e seriam absorvidos,
devido à essa alta bio-hidrogenação causada pelos microorganismos ruminais
(Castaneda-Gutierrez et al, 2005).
Megalac-E é obtido a partir de ácidos graxos de cadeia longa que ficam livres
num processo de cisão das triglicérides de óleos vegetais. Esses ácidos graxos reagem
com sais de cálcio, unidos na forma de sal do tipo R-COO-Ca, popularmente conhecido
como sabão Cálcico (QGN, 2009), obtendo uma ação positiva sobre a digestão dos
ruminantes, e compondo o plano dos nutrientes essenciais para produção leiteira e
formação energética do animal.
2.3 Efeito Fotoacústico
A geração de um sinal acústico num gás devido à absorção de radiação
modulada por uma amostra, contida em uma câmara fechada, é conhecido como efeito
fotoacústico. Quando a amostra absorve a radiação, os seus níveis internos de energia
são excitados, e o decaimento na forma não radiativa causa um aquecimento local, que é
transmitido ao gás ao redor da amostra através de uma onda térmica. A camada de gás
sofre um aquecimento e se expande, gerando ondas acústicas no interior da câmara
(Zerbetto, 1993).
O efeito fotoacústico foi observado pela primeira vez por Alexandre Graham
Bell, em seus estudos sobre o “photofone” (Skoog et al, 2002), onde notou que ao
21
incidir luz solar modulada em um sólido, dentro de uma câmara, gerava no ar a sua
volta um som audível, que era escutado por meio de um tubo ligado à câmara.
Os estudos iniciados por Bell instigaram pesquisas de outros cientistas da época
sobre o assunto, porém, somente na década de 1930, com o surgimento do microfone,
que as pesquisas sobre os efeitos fotoacústicos tiveram realmente um crescimento
significativo. Com o surgimento do laser, no início dos anos 1970, foram desenvolvidas
novas aplicações aos métodos fotoacústicos, bem como o trabalho de RosencwaigGersho (Rosencwaig et al, 1975 apud Velasco, 2006, p 02), que desenvolveu um
modelo padrão de célula fotoacústica usada para obter espectros de amostras sólidas e
liquidas fortemente absorvedora.
Busse e Bellemer (Michaelian, 2003) obtiveram em 1978 o espectro de absorção
infravermelho médio para o vapor de metanol, utilizando um espectrofotômetro
infravermelho por Transformada de Fourier comercial, que foi considerado como o
primeiro trabalho sobre Espectroscopia Fotoacústica. Toda a teoria que descreve o
fenômeno foi desenvolvida desde então, e através dos experimentos demonstraram que
o mecanismo básico responsável pelo surgimento do sinal fotoacústico era o fluxo
periódico de calor entre a superfície da amostra e o gás contido na célula fotoacústica
(Velasco, 2006).
O modelo desenvolvido por Rosencwaig-Gersho na década de 1970 (Zerbetto,
1993) para o efeito fotoacústico em sólidos, explicava a maioria dos resultados
experimentais obtidos, abrindo espaço para o desenvolvimento de muitas outras teorias
para esta área.
As inúmeras contribuições teóricas sobre a produção de ondas acústicas através
de pulsos de calor ocorridos na amostra, são explicadas por basicamente quatro
possíveis mecanismos (Zerbetto, 1993, p 11);
22
i)
Difusão Térmica (figura 1);
Tal mecanismo assume que o sinal fotoacústico é produzido pela condução de
calor, gerado pela amostra, para o gás da célula.
Figura 1. Difusão Térmica.
ii) Expansão Térmica (Figura 2);
O aquecimento causado pela incidência de luz modulada faz neste mecanismo
com que amostra funcione como um pistão vibratório, iniciando ela mesma um processo
de expansão e contração e originando a onda acústica no gás.
Figura 2. Expansão Térmica.
iii)Flexão Termoelástica (Figura 3);
Faz-se presente quando há um gradiente de temperatura na amostra, devido à
absorção da luz modulada perpendicular ao seu plano. Desta forma, a expansão da
amostra depende da profundidade com relação à superfície iluminada, resultando em
uma flexão periódica, produzindo assim o sinal fotoacústico.
23
Figura 3. Flexão Termoelástica.
iv) Efeito Fotobárico (Figura 4);
Tal efeito ocorre em amostras fotoquimicamente ativas, em troca gasosa entre
amostra e o gás da célula fotoacústica.
Figura 4. Efeito Fotobárico.
Tais mecanismos mostram que o aquecimento da amostra após a incidência da
radiação modulada não depende apenas da quantidade de calor que é gerado na amostra,
e da eficiência da conversão de luz em calor, mas depende também de como esse calor
se difunde pelo material. Sendo o sinal fotoacústico dependente de como o calor se
difunde através do material, é permitido então realizar não só a caracterização térmica
da amostra, como também permite fazer mapeamento do comportamento térmico de
amostras, pois a geração de ondas térmicas, devido à absorção de pulsos de energia,
pode sofrer reflexão e espalhamento ao encontrar defeitos ou impurezas dentro da
amostra, afetando o sinal detectado (Velasco, 2006).
Comumente, tais mecanismos estão simultaneamente presentes, no entanto
existem situações experimentais que fazem com que um determinado mecanismo seja
24
dominante sobre os outros, e no caso da amostra estudada, o mecanismo para obtenção
do sinal fotoacústico predominante é o processo de difusão térmica, onde o pulso de
calor produzido pela amostra é transmitido para o gás, que se expande periodicamente e
gera a onda acústica.
2.4 Espectroscopia Fotoacústica no Infravermelho (FTIR - PAS)
A espectroscopia estuda a interação da matéria com a radiação eletromagnética.
A absorção da energia da radiação eletromagnética pode ocorrer devido a transições
eletrônicas entre orbitais atômicos ou moleculares ou a mudanças de estados rotacionais
ou vibracionais das moléculas, estas por fim, características da região do infravermelho.
Em uma molécula, suas ligações covalentes estão em constante vibração, e estes
movimentos podem ser classificados em deformação axial (ou estiramento) e
deformação angular, sendo ainda simétricos ou assimétricos. Uma vibração de
deformação axial é um movimento rítmico ao longo do eixo da ligação que faz com que
a distância inter-atômica aumente e diminua alternadamente. As vibrações de
deformação angular correspondem a variações ritmadas de ligações que têm um átomo
em comum ou o movimento de um grupo de átomos em relação ao resto da molécula
sem que as posições relativas dos átomos do grupo se alterem (Silverstein et al, 2000).
A radiação infravermelha estimula tais movimentos das moléculas.
A quantidade de energia que uma molécula contém não é continuamente
variável, mas sim quantizada, o que significa que a molécula pode se alterar ou se
deformar apenas a uma freqüência específica, correspondendo um nível de energia
específico (McMurry, 2005). Quando uma molécula é irradiada com radiação
eletromagnética, a energia é absorvida se a freqüência da radiação corresponde à
freqüência da vibração. O resultado dessa absorção de energia é um aumento da
25
amplitude para a vibração, e como cada freqüência absorvida pela molécula corresponde
a um movimento molecular específico, podemos conhecer os tipos de movimentos que
uma molécula possui, pela medida de seu espectro na região do infravermelho. Pela
interpretação desses movimentos, podemos descobrir quais tipos de ligações estão
presentes na molécula (McMurry, 2005).
A radiação eletromagnética com números de ondas de 4.000 a 400 cm-1
(radiação infravermelha média) possui a energia exata correspondente às vibrações de
deformações axial e angular de moléculas orgânicas.
Um espectro na radiação infravermelha pode ser dividido em duas partes. Dois
terços do lado esquerdo do espectro no infravermelho (4000 a 1400 cm-1), representam a
região onde a maioria dos grupos funcionais apresenta suas bandas de absorção, essa
região é chamada de região de grupo funcional. O terço do lado direito do espectro no
infravermelho (1400 a 400 cm-1) é chamada região de impressão digital, porque é uma
região característica da substância como um todo (Bruice, 2006). Como cada substância
apresenta um único padrão de bandas nessa região, ela pode ser identificada ao se
comparar sua região de impressão digital com região de impressão digital de espectros
de amostras de substâncias conhecidas.
A maioria dos compostos orgânicos apresenta numerosos picos de absorção na
região do infravermelho médio (4.000 a 400 cm-1), sendo essa região a mais utilizada
para determinação de estruturas de espécies orgânicas, porque nessa região que ocorrem
as transições fundamentais, assim chamadas porque a molécula passa do estado
fundamental (ou de maior energia) para o estado excitado imediatamente superior
(Zerbetto, 1993). As medidas fotoacústicas na região do infravermelho médio mostramse de grande utilidade para a identificação quantitativa de componentes, principalmente
em sólidos, orgânicos ou inorgânicos. Entretanto, para isso são necessários técnicas de
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transformadas de Fourier para uma obtenção satisfatória de resultados, e devido a essa
necessidade,
células
fotoacústicas
são
disponíveis
como
acessórios
de
Espectrofotômetros com transformada de Fourier (Skoog et al, 2002).
A utilização da espectroscopia usando transformadas de Fourier foi inicialmente
desenvolvida por astrônomos no início dos anos 50 para estudar os espectros
infravermelhos das estrelas distantes, pois somente o uso dessa técnica poderia isolar do
ruído ambiental os sinais muito fracos dessas fontes (Skoog et al., 2002). Esse método
baseia-se no fato de que a relação entre a distribuição da radiação incidente no
interferômetro são Transformadas de Fourier em função co-seno. Transformada de
Fourier é um processo matemático pelo qual o interferograma (gerado pelo
interferômetro) é analisado em seus componentes de freqüências com suas amplitudes
correspondentes (Cienfuegos, 2000).
A chave para a operação do interferômetro é o divisor de feixe, o qual é
geralmente constituído por um espelho semiprateado similar aos espelhos “de um lado
só” visto nas lojas e nas salas policiais de interrogatório. O divisor de feixe permite que
uma fração do feixe que o atinge passe através do espelho enquanto outra fração é
refletida. Esse dispositivo funciona nas duas direções, de forma que a luz que atinge
qualquer um dos lados do divisor de feixe seja parcialmente refletida e parcialmente
transmitida (Skoog et al, 2008), como mostra a figura 5.
27
Figura 5. Interferômetro de Michelson
Os instrumentos com transformada de Fourier não apresentam nenhum elemento
dispersivo e todos os comprimentos de onda são detectados e medidos simultaneamente.
Em vez de um monocromador, o interferômetro é usado para produzir padrões de
interferência que contêm a informação espectral do infravermelho (Skoog et al, 2008).
As principais vantagens da Espectroscopia no Infravermelho com transformadas
de Fourier sobre outros métodos dispersivos, incluem o fato de que o modelo FTIR
apresenta poucos elementos ópticos e não necessita de fenda (vantagem de Jacquinot); a
potência que chega ao detector é maior do que nos instrumentos dispersivos e maiores
relações sinal/ruído são observadas; melhor precisão e exatidão em termos de
comprimento de onda; todos os sinais da fonte alcançam o detector simultaneamente
(vantagem de Fellgett ou multiplex), característica essa que torna possível a obtenção de
todo o espectro de uma só vez e, com essa economia de tempo, é possível aumentar o
número de varreduras (“scans”) para aumentar a razão sinal/ruído; o laser monitora a
posição do espelho móvel durante a varredura e também é um padrão interno de
calibração do comprimento de onda; elimina a luz espúria, como a freqüência é
modulada no FTIR não há luz espúria, a relação linear entre absorbância medida e
28
concentração é válida mesmo para bandas que absorvem fortemente; provoca menor
aquecimento na amostra, pois ela localiza-se afastada da fonte; bandas de emissão não
aparecem no espectro, pois a radiação de freqüências IV emitidas pela amostra não é
modulada e sendo assim, não detectada; resolução constante, ela é a mesma para todos
os comprimentos de onda e continuidade do espectro por não existirem mudanças de
redes ou filtros (Cienfuegos, 2000).
3. Metodologia
A caracterização das amostras foi realizada usando o método FTIR – PAS
(Espectrofotômetro Fotoacústico no infravermelho com transformadas de Fourier). Os
espectros foram coletados em um Espectrofotômetro Thermo-Nocolet Nexus 670
combinado com um detector Fotoacústico (MTEC-300). Para melhorar os dados o
espectrofotômetro será purgado com nitrogênio para eliminar o CO2 e o vapor de água
durante o experimento. A célula fotoacústica será também purgada com Hélio durante
toda a aquisição de espectros.
Previamente à aquisição do espectro das amostras será utilizada uma amostra
preta de carbono como referência, para subtrair o background (reproduz a emissão do
corpo negro que a fonte representa) durante a medida. Assim quando utilizado, para
normalizar os espectros coletados, eles devem ficam isentos dessas vibrações
moleculares.
Os espectros no infravermelho serão coletados na faixa do infravermelho
médio, para cada amostra. Os dados serão processados com o Software Omnic
fornecido pelo próprio fabricante do equipamento.
As análises de infravermelho foram realizadas no laboratório de espectroscopia
pertencente à UEMS na Unidade de Dourados. Todas as amostras foram fornecidas pela
29
Fazenda Prata localizada no km 443 da BR 163, próximo a Campo Grande, a qual
trabalha com melhoramento genético de embrião bovino há vários anos.
Para análise foram fornecidas duas amostras, sendo uma do suplemento
Megalac-E e outra do suplemento Calcita. Nas duas amostras adicionou-se uma
quantidade extra de ácidos graxos, essa contida em rações que são disponibilizadas aos
animais.
O espectro foi analisado com média de 12 picos selecionados para a amostra do
suplemento Megalac-E, e 13 picos para a amostra de Calcita, ambos na banda entre
3.990 e 670 cm-1, proporcionando o estudo da composição do suplemento nas faixas
características de cada elemento.
4. Resultados e Discussões
Visando minimizar a possibilidade de erro quanto aos espectros coletados, foram
feitas três leituras espectrométricas. Os números de onda correspondente a cada pico,
assim como os grupos funcionais que vibram nessa região e a forma de vibração das
moléculas podem ser visualizados nas tabelas que se seguem.
30
Figura 6 – Picos de absorção selecionados para os espectros da amostra de suplemento
alimentar Megalac-E
Pico
1.
Número de Onda (cm-1)
3.391
Grupo Funcional
O-H (Hidroxila)
2.
2.923
CH2
3.
2.853
CH2
4.
2.360
CO2
5.
1.670
1.651
1.634
1.622
1.557
1540
1.456
1.419
C=O
NH2
C=O
NH2
N–H
N–H
C – CH2
6.
7.
COO-
8.
1.113
O–C–C
9.
1.055
S = O (sais)
Forma de Vibração
Estiramento
Axial simétrica (νS)
Estiramento
Def. Axial assimétrica (νΑS)
Estiramento
Def. Axial simétrica (νS)
D. Angular assimétrica (δAS)
“In-Plane Bend”
Estiramento
Tesoura
Estiramento
Tesoura
“In-Plane Bend”
“In-Plane Bend”
Tesoura
Def. Angular simétrica (δAS)
Axial simétrica (νS)
Estiramento
Axial simétrica (νS)
Estiramento
Axial assimétrico (ν)
31
10.
11.
12.
992,5
912
876
709
689
672
O–C–C
C = H (Vinil)
C = H (Vinil)
C = H (Vinil)
C – H A. Aromático
O – H “Ring Bend”
O – H “Ring Bend”
Estiramento
Angular (δ)
Angular (δ)
Angular (δ)
Angular (δ)
Angular (δ)
Angular (δ)
Tabela 1. Número de Onda, grupos funcionais e forma de vibração dos picos identificados
nos espectros de absorção no infravermelho médio para o Megalac-E.
Figura 8 – Picos de absorção selecionados para os espectros de amostra do
suplemento Calcita.
Pico
1.
Número de Onda (cm-1)
3.390 e 3.321
Grupo Funcional
O – H (Hidroxila)
2.
2.918
CH2
3.
2.850
CH2
4.
2.360 e 2.335
CO2
5.
1.650
1.635
NH2
C=O
Forma de Vibração
Estiramento
D. Axial simétrica (νS)
Estiramento
D. Axial assimétrica(νΑS)
Estiramento
D. Axial simétrica (νS)
D.Angular assimétrica(δAS)
“In-Plane Bend”
Tesoura (δ)
32
1.623
NH2
6.
1.575
COO-
7.
1.538
C=O
8.
1.458
C – CH2
9.
10.
11.
1.420
1.038
1.005
876
12.
768
O–H
C–C–O
C–O
C=H
(Aromáticos)
C–H
(Aromáticos)
13
668
O–H
Estiramento (δ)
Tesoura (δ)
D.Angular assimétrica(δAS)
“In-Plane Bend”
Estiramento
Angular Assimétrica (δAS)
Tesoura
Angular assimétrica (δAS)
“(O – H) In-Plane Bend”
Estiramento (ν)
Estiramento (ν)
Angular (δ)
Angular (δ)
“Bends” Angular (δ)
Tabela 2. Número de Onda, grupos funcionais e forma de vibração dos picos identificados
nos espectros de absorção no infravermelho médio para a Calcita.
4.1 Espectroscopia de Absorção na região do Infravermelho
A energia da radiação infravermelha pode excitar transições vibracionais e
rotacionais, porém é insuficiente para excitar transições eletrônicas. As variações nos
níveis rotacionais podem dar origem a uma série de picos para cada estado vibracional,
além de exibir bandas de absorção estreitas próximas umas das outras, resultantes das
transições entre vários níveis quânticos vibracionais (Skoog et al, 2008).
A obtenção de informações sobre a composição química de uma amostra,
utilizando-se a espectroscopia no infravermelho, é feita por meio da comparação das
bandas de absorção presentes no espectro da amostra com valores de referência
tabelados, disponíveis em uma gama de livros e outras referências bibliográficas
(Barbosa et al, 2005). Essa comparação torna-se bastante facilitada se os espectros de
compostos possivelmente presentes nas amostras estiverem disponíveis, para que se
possa estabelecer uma comparação direta. Para ilustrar a aplicabilidade da técnica FTIRPAS na caracterização de compostos orgânicos, será explanado os espectros de alguns
33
compostos presentes na composição do suplemento energético Megalac-E com seus
respectivos picos identificados.
Como em qualquer outro tipo de alimento os espectros no infravermelho
evidenciam que a amostra é uma mistura bastante complexa, pois contém informações
de vários grupos funcionais e muitos deles se sobrepõem, tornando difícil à atribuição
de um determinado pico exclusivamente a uma única função química. As regiões entre
706 e 876 cm-1 apresenta uma banda muito larga, podendo estar relacionada ao fósforo
ligado a uma hidroxila, entretanto amidas primárias e secundárias, aminas primárias e
secundárias, compostos de halogênios e alquenos também absorvem nesta região. A
região 1005 cm-1 está relacionada à compostos de fósforo, ácidos carboxílicos, alquenos
e alcanos. A região 1113 cm-1 está relacionada com compostos de fósforo, halogênios,
enxofre, aminas primárias e secundárias, ésteres aromáticos, compostos carbonilados,
álcoois, fenóis livres e aromáticos e alcanos. A região 1458 e 1456 cm -1 estão
relacionados à compostos de fósforo, enxofre, íon amônio, sais de aminas, ácidos
carboxílicos e íon carboxilatos e aromáticos. As regiões 1575 e 1540 cm-1 estão
relacionadas aos compostos de fósforo, enxofre, sais de aminas, aminas secundárias,
amidas primárias, secundárias e aromáticos.
As regiões de 1670 e 1622 cm-1 estão relacionadas à compostos de fósforo,
compostos de halogênios, íon amônio, amidas primárias secundárias e terciárias,
ésteres, ácidos carboxílicos, aromáticos e alquenos. As regiões 2923 e 2918 cm-1 estão
relacionadas à íon amônio, sais de aminas, aminas primárias e secundárias, amidas
primárias e secundárias, ácidos carboxílicos, álcoois, fenóis e alcanos. A região 33903320 cm-1 se relaciona a compostos de enxofre, íon amônio, sais de aminas e amidas
primárias, porém álcoois apresentam uma larga banda nessa região.
34
4.2 Caracterização da Amostra
A interpretação do espectro pode ser feita ponderando alguns picos que
apresentaram absorções relativamente fortes e intensas, considerando ainda o que se
conhece sobre a amostra.
A banda que se estende de 3390 a 2850 cm-1 (ν (O – H e C – H)) associado à
absorção entre 1670 e 1620 cm-1 (C = O e N – H), indica a presença de ácidos
carboxílicos compreendendo às amidas primárias (NH2 ) e (C = O), que apresentam
forte absorção nessa região. Os espectros de bandas de absorção apresentados na região
entre 1575 e 1419 cm-1 caracteriza a presença de sal de ácidos carboxílicos na amostra.
As absorções em 2923 cm-1 (“bend”), 2918 cm-1 e 2850 cm-1 são relativas aos
estiramentos de ligações C – H de grupos metilênicos (CH2), comuns em várias classes
de compostos alifáticos, como ácidos graxos e ésteres graxos e álcoois. O pico na região
em torno de 2300 cm-1 para ambas as amostras corresponde, provavelmente, à vibração
do CO2 que não pôde ser completamente eliminado durante a coleta, devido às
especificidades do aparelho utilizado.
A banda de absorção em 1113 cm-1 e 1038 cm-1 é devido ao estiramento da
ligação (C = O) de grupo éster. É comum observar sobreposições das bandas relativas às
absorções de grupos carboxila de ácidos graxos e ésteres. Nota-se que uma delas
aparece como uma pequena inflexão (“bend”).
A região entre 1113 e 1055 cm-1 apontam a presença de derivados de enxofre
(sulfanatos) e ésteres de ácidos graxos. Observa-se no espectro a presença de uma ou
duas bandas de absorção em torno de 876 e 768 cm-1, devidas a deformação angular do
35
grupo (C – H), que indicam a presença de compostos que contém cadeia alifática longa
(Barbosa et al, 2005).
A interpretação dos espectros definiu a amostra como sendo rica em compostos
derivados de ácidos carboxílicos de cadeia longa, apresentando as mesmas
características quanto a identificação substancial, para ambas as amostras. Em síntese,
pode se dizer que o procedimento permitiu identificar a presença de ácidos graxos,
ésteres, amidas, aminas, sais de ácidos graxos, derivados de fósforo e enxofre.
Análogo a identificação dos picos está à verificação da semelhança entre os
picos apresentados pelas amostras. Como observado na figura 9, ambos os espectros
coletados mostram picos de absorção semelhantes, com pequenas variações devido a
quantidade adicional de graxas, realçando assim a idéia de que, os compostos presentes
na formação comercial do produto já apresentava uma quantidade grande de graxas e
derivados, essa que somou-se a quantidade extra fornecida.
36
Figura 9 – Espectros Picos de absorção para os espectros das amostras de suplemento
alimentar Megalac-E e Calcita.
4.3 Importância nutricional
A avaliação do valor nutritivo dos alimentos fornecidos a ruminantes é um
assunto de extrema importância. Sua determinação envolve o conhecimento do
consumo e da digestibilidade desses alimentos (Oliveira & Prates, 2000).
Com base nos espectros coletados, e a classificação orgânica das substâncias
identificadas, realizou-se uma pequena revisão bibliográfica sobre alguns dos principais
compostos identificados no suplemento energético e sua importância na alimentação
bovina.
As gorduras ou lipídeos (ésteres combinados ou não com outros tipos de
moléculas) são macronutrientes, constituídos de diferentes compostos, que exercem
funções estruturais, energéticas, coenzimáticas e hormonais no organismo, apresentando
em sua formulação os ácidos graxos, gorduras neutras (triglicerídeos) e as ceras (Silva,
2005).
Os alcanos, assim como ácidos graxos, ésteres de alto peso molecular e álcoois
compõem grande parte da composição das ceras de plantas utilizadas na alimentação de
animais ruminantes, mostrando-se ligada diretamente no desempenho do organismo do
animal (Oliveira & Prates, 2000).
As proteínas são compostos poliméricos complexos, formados por moléculas
orgânicas, e estão presentes em toda matéria viva. Sua unidade estrutural são os
aminoácidos ( - COOH (carboxílico) e – NH2 (amino)), sendo de extrema importância
nos organismos animais (Ribeiro & Seravalli, 2004).
37
A adição de uma fonte de enxofre melhora a síntese de proteína microbiana no
rúmen, aumentando o fluxo de proteína microbiana e suprimento de aminoácidos no
intestino delgado, os quais levam o melhor desempenho animal (Torres & Costa, 2000).
Na suplementação de bovinos o fósforo é essencial como componente estrutural
dos tecidos, fluídos e ativador de processos enzimáticos. Para as vacas em início de
lactação a elevada demanda por fósforo aumenta a absorção deste elemento no trato
digestivo, ao mesmo tempo em que as exigências de cálcio repercutem na maior
mobilização de fósforo a partir dos ossos. Com o objetivo de assegurar um consumo
adequado de fósforo no início da lactação (o pico no consumo de MS é posterior ao pico
na produção de leite), as recomendações de fósforo são maiores nesta fase (Oldoni,
2008).
Os elementos que compõem a formação do suplemento mineral analisado, tal
como a presença de aminas, amidas, ésteres de ácidos graxos, fósforo, enxofre, e
alcanos de cadeia ramificada formulam a composição nutricional da amostra. Para expor
a verdadeira importância de cada substância, e a análise minuciosa da composição em
proporção no suplemento, seria necessário um outro estudo, esse partindo dos dados já
obtidos com a análise espectrométrica fotoacústica, somando o uso de outras técnicas,
tais como a Espectroscopia por RMN ou de Massa, que proporcionaria uma exatidão
maior quanto a composição do suplemento.
5. Conclusão
A espectroscopia no infravermelho, somada à técnica do efeito fotoacústico
mostrou-se um método poderoso para a identificação de grupos funcionais presente no
suplemento mineral energético Megalac-E. Através dela foi possível identificar picos
38
característicos de compostos alimentares orgânicos, que como esperado, compunham a
formulação do suplemento analisado.
Esse tipo de análise é de suma importância para diversos ramos da ciência, pois
proporciona a identificação das substâncias de forma rápida, prática e sem danificar a
amostra, o que reflete positivamente nos trabalhos em laboratório.
No que se refere aos elementos identificados como componentes do suplemento
mineral, pode-se dizer que foi frutífera a análise quantitativa, contudo verifica-se que
um estudo detalhado sobre as substâncias identificadas pelos picos de absorção
característicos, somado a estudos sobre nutrição animal, se faz necessário para que se
possam utilizar na prática os resultados obtidos pela técnica FTIR-PAS.
6. Referências Bibliográficas
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