Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.14, n.2, p.167-176, 2012
ISSN 1517-8595
167
UTILIZAÇÃO DE METODOLOGIA DE PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
PARA DESTOXICAÇÃO DO FARELO DE MAMONA (Ricinus communis L.) EM
SECADOR ELÉTRICO DE BANDEJA
Maria Susana Silva1, Suyare Araujo Ramalho2, Lidiane Costa Macedo3,
Jane Jesus da Silveira Moreira4 , Narendra Narain5, Gabriel Franscisco da Silva6
RESUMO
O farelo da mamona é rico em proteína, mas devido a sua toxidez não pode ser ingerida por
animais sem tratamento adequado de destoxicação, sendo utilizado apenas como adubo. Os
processos de destoxicação mais utilizados ocorrem por via térmica, química, enzimática ou
processos combinados. O planejamento experimental é importante para verificar as variáveis
que mais interferem no processo de destoxicação, permitindo minimizar o custo e o número de
experimentos envolvidos na investigação experimental. Este trabalho tem como objetivo
verificar a influência da utilização do planejamento experimental fatorial para o processo de
destoxicação do farelo de mamona (Ricinus communis L.) por via térmica em secador elétrico
de bandeja. As conclusões do trabalho avaliaram que o uso do secador elétrico de bandeja
modelo PE 100 semi-industrial para o tratamento térmico do farelo de mamona utilizando o
planejamento 22 proporciona a redução de mais de 95% do teor de ricina com o teor de
proteínas igual a 23,86%.
Palavras-chave: destoxicação, farelo de mamona, planejamento fatorial, ricina, secagem
USE OF EXPERIMENTAL METHODOLOGY FOR PLANNING
DETOXIFICATION OF THE MEAL CASTOR BEAN (Ricinus communis L.) ON
ELECTRIC TRAY DRYERS
ABSTRACT
The castor bean meal is most rich in protein; however, due to its toxicity it cannot be
ingested by animals without adequate detoxification treatment – for this reason it is only
used as a fertilizer. The detoxification process is carried out most often by a
combination of thermal, chemical or enzymatic processes. The experimental planning is
important for checking the variables that most affect the process of detoxification,
allowing for the minimization of the cost and number of experiments involved in
experimental research. This paper discusses the influence of the use of factorial
experimental planning on the process of detoxification of castor oil (Ricinus communis
L.) by thermal-electric dryer tray. The study evaluates the use of the electric dryer tray
model PE 100 semi-industrial used for the heat treatment of castor oil by using the
planning 22 that provides a reduction of over 95% of the content of ricin and a protein
content of 23.86%.
Keywords: detoxification, castor oil, factorial design, ricin, drying
Protocolo 13-2011-19 de 4 de julho de 2011
1
Mestre em Engenharia Química. Universidade Federal de Sergipe. Tel: (79) 21056556. E-mail: [email protected]
Mestranda em Engenharia de Alimentos. Universidade Federal de Sergipe. Tel: (79) 21056535. E-mail: [email protected]
3
Mestranda em Engenharia Química. Universidade Federal de Sergipe. Tel: (79) 21056556. E-mail:[email protected]
4
Professora do Departamento de Engenharia de Alimentos. Universidade Federal de Sergipe.Tel: (79) 21056535. E-mail:
[email protected];
5
Professor do Departamento de Engenharia de Alimentos. Universidade Federal de Sergipe. Tel: (79) 21056535. E-mail: [email protected]
6
Professor do Departamento de Engenharia Química. Universidade Federal de Sergipe. Tel: (79) 21056556. E-mail:[email protected]
2
168
Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
INTRODUÇÃO
O farelo da mamona é rico em proteína,
mas devido a sua toxidez não pode ser ingerida
por animais sem tratamento adequado de
destoxicação, sendo utilizado apenas como
adubo. Os processos de destoxicação mais
utilizados ocorrem por via térmica, química,
enzimática ou processos combinados.
A toxidez da mamona ocorre devido a
três componentes: a ricina, a ricinina e o
complexo alergênico CB-1A. A ricina é a
toxina
mais
letal
representando
aproximadamente 1,5% da torta de mamona. A
ricinina é um alcalóide e representa 0,23% da
torta não representando tanto perigo quanto a
ricina. O fator alergênico (CB-1A) é uma
proteína estável com grande capacidade
alergênica aos indivíduos, principalmente por
inalação, cujo teor na torta sem cascas e
gorduras varia de 6,1 a 9,0%.
O
planejamento
experimental
é
importante para verificar as variáveis que mais
interferem no processo de destoxicação,
permitindo minimizar o custo e o numero de
experimentos envolvidos na investigação
experimental.
Este trabalho tem como objetivo discutir
a influência da utilização do planejamento
experimental fatorial para o processo de
destoxicação do farelo de mamona (Ricinus
communis L.) por via térmica em secador
elétrico de bandeja. As conclusões do trabalho
são verificadas na superfície de resposta do
planejamento experimental 22 do farelo em
função do teor final de ricina.
Planejamento experimental fatorial
completo
Os planejamentos fatoriais completos
são indicados quando se conhecem quais as
variáveis mais significativas para o sistema
em estudo e se quer avaliar quantitativamente
sua influencia sobre a resposta de interesse.
Ao iniciar os estudos o primeiro passo
deve ser a escolha dos fatores e a resposta de
interesse.
Escolhem-se
variáveis
que
influenciam o fenômeno estudado, e
proporcionam uma resposta experimental ou
função resposta. A resposta é a propriedade
em que se tem interesse, que pode ser
qualitativa
ou
quantitativa
(pureza,
composição
química,
concentração,
temperatura, etc), dependendo da escolhas das
características do sistema que se investiga
(Fargin et al. 1985).
No planejamento fatorial completo, os
experimentos devem ser realizados em todas
as possíveis combinações de níveis de fatores.
Em cada um desses experimentos, o sistema é
submetido a um conjunto de combinações de
níveis definidos, o conjunto dessas
combinações é chamada de matriz de
planejamento. Cada linha da matriz define um
experimento
correspondente
a
uma
combinação de níveis superior e inferior de
cada fator. Normalmente, os níveis superiores
e inferiores são identificados com os símbolos
(+) e (-) , respectivamente.
A faixa
correspondente ao menor e maiores nível
atribuído
denomina-se
de
domínio
experimental do planejamento (Muniz, 2005).
Em geral se houver n1 níveis do fator 1,
n2 níveis do fator 2,... e nk do fator K, o
planejamento será um fatorial n1x n2x ...nkx.
O planejamento mais simples de todos é
aquele em que todos os fatores são estudos
em dois níveis. Para K fatores, isto é, K
variáveis controladas pelo experimentador,
um planejamento completo de dois níveis
exige a realização de 2x2x...x2 = 2k ensaios
diferentes (Barros Neto et al., 2002).
Os efeitos das variáveis principais e
suas interações podem ser calculados usando
a diferenças das médias das respostas obtidas.
A significância estatística atribuída aos dos
efeitos pode ser estimada, baseada no
intervalo de confiança considerado (95%),
usando a distribuição de Student, ou através
da analise de gráficos normais.
O modelo estatístico usado para
descrever as respostas de um planejamento
fatorial é formulado em termos dos efeitos
por unidade de variação dos fatores. A
dependência da resposta analisada (Y) com as
variáveis experimentais (Xi) pode ser
aproximada por uma equação polinomial
(Equação 01).
Ү = b0 + ∑ bix1 + ∑ bijxixj
( 01)
onde, b0, bi, bij são constantes, x1 representa as
variáveis independentes e xixj suas interações.
Os resultados podem ser expressos na
forma de diagramas de interações, contorno,
superfícies e cubos para representar e
interpretar as relações existentes entre as
respostas e os fatores estudados.
No presente trabalho foi utilizado o
planejamento experimental 22 variando a
temperatura e o tempo de exposição de
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Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
secagem, apenas o ponto central foi feito em
triplicata.
Procedimento experimental
O farelo utilizado foi obtido a partir das
sementes de uma mistura de variedades de
mamona que foram trituradas e passaram por
prensagem mecânica seguida de extração
química a frio do óleo com hexano, na
proporção de 150 ml para cada 50g de farelo.
Para a realização dos ensaios foram utilizados
100g do farelo por amostra, sendo que foram
utilizadas no máximo duas amostras por
bandeja e sete bandejas por ensaio.
Foi utilizado um secador modelo PE 100
semi-industrial (Figura 1). A temperatura de
trabalho do secador vai desde a temperatura
ambiente até 90ºC, área total de secagem com
5,85 m2 com capacidade de 75 kg.
169
Tabela 1: Condições experimentais no secador
Ensaio
1
2
3
4
5
6
7
Níveis
+
+
0
0
0
T (ºC)
70
70
90
90
80
80
80
t(horas)
2
6
2
6
4
4
4
As análises da ricina residual nas
amostras foram realizadas no Laboratório de
Análise de Flavor do Núcleo de Ciência e
Tecnologia de Alimentos da Universidade
Federal de Sergipe por Cromatografia Líquida
de Alta Eficiência com detector de arranjos de
diodo (CLAE/DAD).
A exposição dos resultados serão
apresentados na forma gráficos e Tabelas, em
função dos valores de temperatura, tempo de
tratamento, perda de massa em cada amostra e
degradação de ricina.
As amostras foram analisadas conforme
os procedimentos descritos a seguir.
a) Análises físico-químicas
Fonte:Pardal, 2009
Figura 1: Secador PE 100 semi industrial
O controle da temperatura foi feito
através de termopares distribuídos da seguinte
forma: na entrada da câmara de secagem, na
bandeja central e na amostra. Foram coletadas
amostras mediante intervalos de uma hora para
obtenção do teor de ricina e a perda de massa
do produto. Também foram realizadas análises
de proteínas e umidade total depois de cada
ensaio.
Foram feitos ensaios em função do
planejamento experimental 22 variando a
temperatura e o tempo de exposição de
secagem, apenas o ponto central foi feito em
triplicata (conforme Tabela 1).
Foram realizadas as seguintes análises
físico-químicas para as amostras de farelo:
 Proteína: pelo método Micro Kjedahl,
sendo o fator 6,38 multiplicado pela
percentagem de nitrogênio encontrada (AOAC,
2005);
 Proteína: Caracterização de Proteínas
por Meio de Reações de Coloração (Moore,
1968).
 Umidade: determinado pelo método nº
012/IV do IAL (2008), e expressa em g/100g;
b) Determinação do teor de ricina
Neste trabalho isolou-se a ricina presente
no farelo da mamona e analisaram-se as
amostras utilizando Cromatografia Líquida de
Alta Eficiência com detector de arranjos de
diodo (CLAE/DAD). Tal método utiliza uma
coluna C18 de 15 cm, fase móvel de ACN:H2O
(90:10, v:v), fluxo da fase móvel de 0,8 mL.
Tais parâmetros permitem que a análise do
composto em questão seja realizada em cerca
de 10 minutos. Onde primeiro se extrai a ricina
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170
Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
para depois purificar e, por último, analisar no
cromatógrafo (Kabat, 1947; Anandan, 2005).
experimentos em função do tempo podem ser
observadas nas Figuras 2 e 3, a seguir.
O teor de proteína do farelo de mamona
após o tratamento térmico em ambos os
secadores sofreu reduções, como pode ser
observado na Tabela 2, porém essas reduções
não excluem o potencial do farelo para como
alimento animal.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A variação da razão de umidade e a
temperatura da amostra de secagem durante os
1,1
70°C
80°C
90°C
1,0
0,9
0,8
0,7
R.U
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (horas)
Figura 2: Variação da Razão de Umidade (RU) em função do tempo de secagem.
Temperatura da amostra (°C)
80
70
60
50
40
70°C
80°C
90°C
30
20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tempo (min)
Figura 3: Temperatura da amostra em função do tempo de secagem
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Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
Tabela 2: Teor de proteína em função da
temperatura e do tempo de secagem
Temp.
(°C)
70
80
90
T (horas)
0
2
6
0
4
0
2
6
Proteínas
totais (%)
38,15
29,67
24,6
38,15
25,41
38,15
23,92
23,21
Após o processo de extração e
purificação da ricina, foi realizado o teste
qualitativo para comprovar a presença ou não
de proteína ricina na solução extraída do farelo
para cada ensaio de secagem (Tabela 3). Para
isso, utilizou-se a solução de Ninhidrina que
provoca o desenvolvimento de uma coloração
arroxeada na solução, indicando a presença da
proteína. Embora estes testes não comprovem
a isenção total da ricina, eles são de extrema
importância para se verificar rapidamente a
eficiência dos tratamentos empregados,
demonstrando o efeito da temperatura e do
tempo de tratamento em relação à ricina
presente no farelo de mamona.
Observa-se que os tratamentos a 80 ºC
por 4 horas e a 90ºC por 6 horas não tiveram
presença de coloração ao serem testados com
Ninhidrina, indicando a possibilidade da
ausência da ricina no extrato ou a redução da
proteína a concentrações muito baixas,
171
insuficientes para provocar a reação de
desenvolvimento de cor.
Tabela 3: Resultado qualitativa da presença da
ricina
Temp.
(°C)
-
Tempo
Verificação
(horas) Qualitativa da Ricina
0
forte coloração
2
forte coloração
6
fraca coloração
4
cor não observada
2
forte coloração
6
cor não observada
70
80
90
As analises de determinação de ricina
por CLAE/DAD foram identificada pelo tempo
de retenção de 3,7 e pelo espectro de absorção
UV que segundo Alderton et al (2001),
Gaigalas et. al (2007)), a absorção máxima no
espectro do UV ocorre a 280nm, com o fluxo
móvel de 0.8mL/min no tempo total de 10min
de análise. Nas Figuras 4 e 5 pode ser
observado respectivamente o espectro de
absorbância da amostra e o cromatograma da
amostra padrão sem tratamento térmico no
comprimento de 214 e 280 nm.
Figura 4: Espectro de absorção da ricina no HPLC UV
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172
Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
Figura 5: Cromatograma da ricina a 280nm e 214 nm respectivamente
De acordo com os resultados de
dosagem da ricina por CLAE/DAD, a redução
do teor de ricina foi observado em todos os
ensaios de secagem, para os quais quanto
maior a temperatura e o tempo de secagem,
maior o percentual de ricina eliminado, de
acordo com a Figura 6.
O melhor resultado alcançado foi para o
tratamento a 90°C por seis horas, que
apresentou um percentual menor que 1% de
ricina, conforme mostrado na Tabela 4. O
tratamento a 90°C por seis horas não detectou
a presença de ricina na cromatografia, o que
não significa que a eliminação da toxina tenha
sido 100%, para comprovar a total
destoxicação, é necessário fazer análises de
maior sensibilidade, como é o caso dos testes
biológicos (ELISA), para garantir que a ricina
está ausente no farelo. No entanto, os
resultados dos testes qualitativos, baseados em
reações químicas entre a proteína e o reagente
adicionado (Ninhidrina), concordam com os
resultados indicados pela quantificação da
ricina em CLAE, para os quais os tratamentos
nos quais se observa o maior percentual de
redução da ricina são os mesmos para os quais
os teste qualitativos deram negativo para a
presença de ricina, ou seja, ausência de
coloração roxa.
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Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
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100
70°C
80°C
90°C
Teor de Ricina (%)
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (horas)
Figura 6: Teor de Ricina x Tempo de tratamento
Tabela 4: Teor de Ricina em função do tempo
de tratamento e temperatura
TEMPO
TEOR DE
TEMP (°C)
(horas)
RICINA (%)
70
80
90
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
5
6
100,00
71,68
65,87
54,39
52,32
38,66
17,91
100
56,73
38,23
20,94
14,56
100
48,53
25,65
15,97
8,16
2,09
<1
O uso do secador para o tratamento
térmico do farelo de mamona apresentou
resultados satisfatórios para a temperatura de
90°C por seis horas, tendo em vista que obteve
redução em aproximadamente 100% do teor de
ricina e o teor de proteínas final foi 23,86%.
Foi observado que os valores da toxina
no tratamento a 70°C atingiu 38,66 % na quinta
hora de tratamento e já com 80°C atingiu um
percentual de 38,23 na segunda hora do
processo.
Avaliando o planejamento experimental
utilizado temos os resultados na nossa matriz,
conforme mostra a Tabela 5 a seguir:
Tabela 5: Matriz de Planejamento
Ensaio
T
(ºC)
T
(h)
X1
X2
Ricina
(%)
1
2
3
4
5
70
90
70
90
80
2
2
6
6
4
-1
1
-1
1
0
-1
-1
1
1
0
65,87
25,65
17,91
0,8
14,56
Essa matriz de planejamento possibilitará
a elaboração de uma representação gráfica,
superfície de resposta e o cálculo dos efeitos
dos fatores manipulados sobre a resposta
investigada (Tabela 6).
Tabela 6: Efeitos calculados para o planejamento fatorial 22 da destoxicação
27,56
Média Global
Efeitos principais:
E1
28,665
E2
-36,405
Efeito de interação:
E12
11,555
Admitindo inicialmente, que a superfície
de resposta na região investigada seja uma
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174
Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
função linear, com o planejamento, foi possível
obter o seguinte modelo (Equação 2).
onde X1 e X2 são as variáveis codificadas
(tempo e temperatura) e y é o teor de ricina.
Y = 21,86 – 14,3X1 – 18,2X2 + 5,778X1X2 (2)
A análise de variância (Tabela 7) traz
dados a respeito da significância estatística
deste modelo linear.
Tabela 7: Análise da Variância (ANOVA) para o modelo linear
Fonte de
Soma quadrática Média
variação
Quadrática
Regressão
2281
760
Resíduo
303
101
Falta de ajusta
303
303
Erro puro
0,24
0,12
Total
2583
Como o Freg = MQR/MQr = 7,53, deve
ser maior do que o Ftabelado para ser considerada
uma regressão significativa, entretanto
verifica-se que o valor de Freg comparando esse
valor com F3,3 = 9,28 (do nível de 95%) não
indica uma regressão significativa, como
também evidência a falta de ajuste, devido ao
alto valor de Ffaj = MQfaj/MQep = 2537,19, que
é muito maior do que o F1,2 = 18,51.
Essa falta de ajuste pode ser verificada
graficamente observando (Figura 7) que a
distribuição dos resíduos não parece ser
aleatória.
A superfície de resposta e as curvas de
nível utilizaram os dados do planejamento
experimental com secador elétrico de bandeja
foi feita por análise estatística, utilizado o
programa Statistica 7.0 (Figura 8 e 9).
G.L.
F Calculado
3
3
1
2
6
7,53
2537,19
Figura 7: Residual vs observado
Figura 8:Superfície de resposta do tratamento por secagem
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Utilização de metodologia de planejamento experimental para destoxicação do farelo de mamona....... Silva et al.
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7
6
Tempo (horas)
5
4
3
2
60
65
70
75
80
85
90
95
100
80
60
40
20
0
Temperatura (°C)
Figura 9: As curvas de nível do tratamento por secagem
Analisando a superfície de resposta e as
curvas de nível podemos observar que seria
necessário aproximadamente 95°C e 6,5 horas
de secagem para eliminação total da ricina.
Os resultados da superfície de resposta e
das curvas de nível (Figura 8 e 9) não garantem
100% de eficiência do tratamento, sendo
necessário continuar a pesquisa realizando
testes toxicológicos com animais e outros testes
biológicos que tem uma detecção melhor da
ricina, para confirmar que a melhor condição de
tratamento.
CONCLUSÃO
A partir dos resultados obtidos neste
trabalho, conclui-se que:
- Este trabalho comprova que existe
potencialidade para utilização dos resíduos
agroindustriais da mamona na alimentação de
animais.
- As conclusões são decorrentes dos
resultados obtidos e das análises do teor de
ricina realizadas, por meio de Cromatografia
Líquida de Alta Eficiência com detector de
arranjos de diodo (CLAE/DAD).
- Em todos os ensaios a Razão de
Umidade (R.U) diminuiu em função do tempo
de secagem.
- O comportamento do teor de proteína
do farelo de mamona após o tratamento térmico
em ambos os secadores sofreu reduções, porém
essas reduções não são significativas para a
utilização como alimento animal.
- O uso do secador elétrico de bandeja
modelo PE 100 semi-industrial para o
tratamento térmico do farelo de mamona
apresentou
resultados satisfatórios para a
temperatura de 90°C por seis horas, tendo em
vista que obteve redução em aproximadamente
100% do teor de ricina e o teor de proteínas
final foi 23,86%.
- Foi observado que os valores da toxina
no tratamento 70°C atingiu 38,66 % na quinta
hora de tratamento e já com 80°C atingiu um
percentual de 38,23 na segunda hora do
processo.
- O planejamento fatorial 22 foi
importante para verificar quais são as melhores
condições experimentais para a destoxicação
com o secador.
- A analise estatística linear não possui
uma regressão estatística significativa e indicou
uma grande falta de ajuste nos dados para o
planejamento 22, isso demonstra que é
necessário fazer novos experimentos utilizando
a regressão quadrática para garantir uma
regressão significativa e ajuste dos dados.
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