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Como citar este trabajoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Estudo das condições operacionais da etapa de extração de proteína do capim elefante (pennisetum purpureum schum), utilizado como fonte energética
Silas Derenzo, Wagner Aldeia
Agrupamento de Processos Químicos, IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A., 05508-901, São Paulo, SP. Tel (011) 37674528, fax: (011) 37674052
RESUMO
Foram estudadas as condições operacionais da etapa de extração de proteínas do capim elefante (pennisetum purpureum schum) utilizando- se água e soluções alcalinas como agentes de extração Verificou-se que as melhores condições de extração ocorrem com pH inicial elevado (até pH10) em temperaturas moderadas (40ºC). Extrações com rendimentos próximos podem ser obtidas em processos que utilizem duas etapas de extração com água em temperaturas mais elevadas (70ºC).. Foi estudada também a variação do teor de proteínas e de massa seca com a idade de corte, constatando-se que o envelhecimento da planta resulta no decréscimo da quantidade de proteínas.
Palavras-chave: Capim elefante, proteínas, técnicas de extração
ABSTRACT
The operational conditions of the protein extraction step from a grass (pennisetum purpureum schum) were studied. Extracting agents utilized were water and alkaline solutions. The best extraction conditions observed in the present was the extraction at 40ºC and pH 10. Similar extraction yield was obtained with water as extracting agent in a two step process at 70ºC. It was studied also the dry mass and protein content in the plant with the cutting period.
INTRODUÇÃO
Proteínas são uma importante fonte de nutrição dos seres vivos. Enquanto as proteínas de origem animal são formadas por aminoácidos em proporção e qualidade ótimas para a nutrição, as proteínas de origem vegetal raramente são completas em sua composição. Entretanto, tais proteínas são importantes por serem, em muitos casos, a principal ou única fonte de aminoácidos essenciais na alimentação. Elas possuem propriedades que as tornam importantes pelos efeitos estruturais nos produtos alimentícios, inclusive aqueles à base de carne. De qualquer forma, não pode ser desprezada a importância das proteínas vegetais para o homem.
As primeiras idéias relativas ao aproveitamento de folhas não digeríveis para a nutrição humana datam de 1885, sendo que a primeira patente relativa ao assunto data de 1927.[1]. Nas décadas de 60 e 70, a previsão pessimista sobre a fome no mundo levou a uma intensificação na busca de novas fontes alternativas de nutrição. Os trabalhos desta época visavam a utilização destas fontes de proteínas tanto para a nutrição animal quanto sua aplicação como complemento da dieta humana. Atualmente, a utilização de proteínas de fontes alternativas estão mais ligadas a nutrição animal.
Em geral, os processos de obtenção de proteínas de origem vegetal, conforme apresentado na Figura 1, consistem basicamente na sua lixiviação da planta, seguida de sua precipitação, concentração e secagem.
A extração de proteínas das plantas é, em geral, de processamento mais difícil do que a de sementes. Este fato é devido ao baixo teor de proteína na matéria prima verde (cerca de 5% em massa), quando comparadas ao seu teor nas sementes (cerca de 40% em massa) [2].
Para que ocorra a extração das proteínas é necessário que haja a sua exposição ao agente extrator, o que é conseguido pelo rompimento das paredes celulares do vegetal. Este rompimento pode ser realizado em moinhos desfibradores, utilizados na indústria de celulose[2].
Podem ser utilizados como agentes de extração, tanto a água, quanto soluções moderadamente alcalinas e até mesmo de ácidos minerais a quente [3]. A solubilidade das proteínas é substancialmente influenciada pelo pH. O ponto isoelétrico de uma proteína é definido como o pH onde esta tem carga zero e solubilidade mínima. Após a extração, separa-se o caldo da torta por meios convencionais.
Nos processos clássicos de precipitação de proteínas, a solubilidade das mesmas em uma dada suspensão pode ser reduzida por diferentes métodos:
• coagulação por aquecimento [2].
• adição de sais neutros, como fosfato ou sulfato de amônio [4].
• redução da constante dielétrica, pela adição de solventes orgânicos tais como acetona, metanol ou éter [5];
• redução das cargas elétricas das proteínas (ponto isoelétrico), pelo ajuste do pH [5].
Uma vantagem desta última técnica é a seletividade na precipitação de compostos: aqueles com ponto isoelétrico maior ou menor que o pH da solução, permanecerão solubilizados.
Uma vez precipitadas, as proteínas podem ser concentradas por técnicas de separação sólido - líquido convencionais, tais como decantação, filtração e centrifugação, antes de serem secas por processos também convencionais.
Assim, como pode ser verificado, uma das etapas mais importantes do processo diz respeito a extração da proteína do vegetal.
OBJETIVO
O objetivo do presente trabalho é o de estudar as condições operacionais da etapa de extração das proteínas do capim elefante (pennisetum purpureum schum), dentro de um âmbito maior, que é a sua utilização para para fins energéticos.
PARTE EXPERIMENTAL
O capim, logo após sua colheita, foi picado em uma forrageira e armazenado a -18ºC, com o objetivo de retardar a degradação do material. Amostras de diversos lotes de material foram caracterizadas quanto à massa seca e ao teor de proteínas pelo método de Kjeldahl. As matérias-primas utilizadas nos experimentos foram provenientes do estudo experimental de plantio desenvolvido pelo Instituto de Zootecnia.
O rompimento celular foi realizado através da trituração com água em um liquidificador. Foi variado o pH inicial da suspensão, tanto pelo ajuste da quantidade de água, quanto pela adição de hidróxido de sódio.
A extração foi efetuada sob agitação em temperatura controlada, em um banho Dubinhoff. Após a extração, o material foi separado, prensado e o teor de proteína do caldo analisado pelo método de Biureto [6]. Foram realizados também alguns ensaios com mais de uma etapa de extração.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
CARACTERÍSTICAS DA MATÉRIA PRIMA.
O capim elefante, como todas as gramíneas, possui teor de massa seca e de proteínas que dependem de sua idade. Inicialmente foram determinadas estas variações, apresentadas nas Figuras 2 e 3, respectivamente.
Além das variações verificadas, o teor de proteínas ao longo da planta também pode variar, como pode ser verificado na Tabela 1, para o capim colhido 32 semanas após o plantio.
No entanto, como o objetivo do projeto é o de se estudar o aproveitamento de como um subproduto, optou-se por não separar o capim em diferentes partes, frente às dificuldades que isto representaria para a sua colheita no campo, e que também implicaria em custos adicionais.
ENSAIOS DE EXTRAÇÃO
Baseado nos resultados das caracterísitcas das matérias-primas iniciais, foram realizados ensaios de extração com a planta em idades variando entre 10 e 14 semanas, as quais apresentam maiores teores de proteínas.
Inicialmente foi avaliado a eficiência de extração das proteínas com diferentes níveis de pH do agente extrator. As extrações foram efetuadas em três etapas sucessivas e consecutivas, com um tempo de extração de 120 minutos a uma temperatura de 40oC. A Figura 4 apresenta os resultados deste estudo.
Os resultados indicam que um aumento no pH inicial do agente extrator maximiza a eficiência da extração. No entanto o pH da solução ao longo da extração decresce devido à liberação de ácidos presentes na planta, de modo que o pH ao final do processo apresentou um decréscimo de cerca de 2 pontos em relação ao pH inicial.
A extração em pHs iniciais acima dos níveis empregados (> 10) foram evitados, pois soluções altamente alcalinas podem degradar as proteínas [3].
Observa-se também, que no nível superior de pH, uma única etapa de processamento é capaz de extrair cerca de 75% da proteína e que em duas extrações consecutivas extrai-se praticamente todo o material.
Este mesmo nível de extração foi obtido nos ensaios em que se estudou o efeito da temperatura no rendimento de extração. A figura 5 apresenta os resultados deste estudo, realizado em uma única etapa de extração, com pH 10. Verifica-se que o efeito da temperatura é menos pronunciado, variando entre 73 e 78% na faixa de temperatura estudada.
Temperaturas mais elevadas foram evitadas pois acima de 70ºC ocorre uma coagulação significativa das proteínas [2].
Foi realizado também um estudo comparativo de extração a baixa temperatura (40oC) utilizando apenas água como agente extrator em um lote pobre em proteínas (aproximadamente 4% em massa). Verificou-se que a eficiência de extração com água (pH6) foi cerca de 65% daquela obtida com pH10, em uma única etapa de extração.
Para avaliar se a temperatura poderia ter um efeito benéfico na extração com água, foi realizado um estudo comparativo entre a extração com pH10 e a extração com água a 75ºC. Os resultados estão apresentados na figura 6.
Verifica-se que, com uma matéria prima mais rica em proteínas as diferenças de eficiência não são significativas podendo-se alcançar uma eficiência de extração comparável, na temperatura estudada.
Este fato, além de poder reduzir custos no processo pela não utilização de produtos químicos, possui um efeito benéfico de não contaminar o material celulósico a ser utilizado com fins energéticos.
CONCLUSÕES
Com base nos ensaios realizados pode-se tecer as seguintes conclusões:
1. A idade de corte do capim elefante tem um efeito acentuado sobre a massa seca e o teor de proteínas . Embora a massa seca aumente com a idade da planta, o teor global de proteínas decresce com o tempo.
2. O teor de proteínas varia com a geografia da planta; os maiores teores de proteína foram encontrados nas folhas jovens.
3. Os ensaios de extração demonstraram que a temperaturas moderadas (40ºC), um aumento no pH inicial da extração possui um efeito benéfico na eficiência do processo;
4. Para extrações com pH inicial 10, a temperatura tem um pequeno efeito na eficiência de extração.
5. A aplicação de mais de uma etapa de extração torna-se tão mais importante quanto menor for o pH inicial do agente extrator.
6. Uma temperatura mais elevada tem um efeito benéfico quando a extração é realizada sem a utilização de agentes alcalinos, podendo ser, a 75ºC, comparável à extração com pH 10.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FINEP, Financiadora de Estudos e Projetos, pelo apoio financeiro desta pesquisa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PIRIE, N. W. , Leaf protein and other aspects of fooder fractionation, Cambridge Press University, Cambridge, 1978.
[2] PIRIE, N. W. International Biological Programme Handbook N.20, Leaf protein: its agronomy, preparation, quality and use, Blackweel, Oxford, 1971.
[3] BONDI, A. Plant proteins, in Processed plant protein foodstuffs (ALTSCHUL A. A. ed.), Academic Press, New York, 1958. , p.54-55.
[4] FOSTER, P. R., DUNNILL, P., "The kinetics of protein/salting-out: precipitation of yeast enzymes by ammonium sulphate", Biotech. Biogeng. Vol. 18, p. 545, 1976.
[5] VAN DER ZEE, R.J.E.M., Apostila do "Advanced course on dowmstream processes", Universidade Tecnológica de Delft, Holanda, capítulo 8, p. 8-15, 1993.
[6] COPELAND, R. A., Methods for Protein Analysis – A Practical Guide to Laboratory Protocols, Chapman & Hall, N. Y., 1994.
