Mandiocaba (Manihot esculenta): Características que definem suas potencialidades para a Produção de Etanol.

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Alimentos

Autores

Moreira, A.S. (UEPA) ; da Cruz, M.M.V. (UEPA) ; Aires, G.C.M. (UFPA) ; da Silva, D.A. (UEPA)

Resumo

Foi avaliado o potencial do extrato da raiz de mandiocaba (manihot esculenta) conhecido como manipueira, para a produção de etanol. Foram coletadas duas variedades de mandiocaba e uma de mandioca normal. Das raizes foram realidas as caracterizações fisico-químicas de sua casca, fibra, amido, realizado rendimento em massa de cada um. Após isso, foram realizados fermentações em remperaturas controladas utilizando a levedura saccharomyces cereviseae para converter os açúcares do caldo de mendiocaba em etanol e realizado uma cinética de fermentação em frascos agitados para verificar a velocidade maxima de crescimento e fator de conversão de substrato em célula. Os resultados apontam a mandiocaba como uma potencial fonte de carbono para a produção de etanol.

Palavras chaves

Mandiocaba; manihot esculenta; etanol

Introdução

A mandioca (Manihot esculenta Crantz) é um produto agrícola amplamente produzido e consumido em todas as regiões brasileiras, é uma planta tolerante a condições de seca e baixa fertilidade do solo, com destaque para o estado do Pará, maior produtor nacional (IBGE, 2013). Segundo Tinini et al. (2009) a mandioca é cultivada e consumida por pequenos produtores rurais onde as condições climáticas são desfavoráveis à exploração de outras culturas. Entre as variedades de mandioca cultivadas no estado do Pará figura a mandioca açucarada, conhecida por mandiocaba, mandioca-doce, manicuera ou manicoera, que, ao contrário de amido, acumula açúcares simples em suas raízes. A mandioca açucarada é muito utilizada pelos indígenas da Amazônia na alimentação. Alguns acessos apresentam elevada produtividade e altos teores de açucares nas raízes (CARVALHO et al., 2004; SOUZA et al., 2013). As possíveis utilizações alimentícias da mandiocaba são: a produção de concentrado rico em glicose e a fécula com “amido naturalmente modificado” (MAFFRA; OLIVEIRA, 2008; CARVALHO et al., 2004). Além disso, acrescenta-se o grande interesse pela utilização desta na produção do etanol uma vez que esta cultura possui uma alta concentração de açucares livres na sua composição bioquímica e baixos teores de matéria seca e amido, além de alto conteúdo de água, devido ao alto teor de açúcares livres (CARVALHO et al. 2004). Também se pode considerar a produção do etanol advinda da mandiocaba viável como combustível e benéfica, tanto do ponto de vista ambiental quanto pela eficiência na geração de trabalho mecânico, além de sua característica renovável (TROVATI et al., 2002). Uma vez que o Brasil é o maior produtor mundial de etanol por via fermentativa, e esta posição de destaque é consequência do Proálcool, implementado pelo governo brasileiro na década de 70 com o objetivo de substituir gasolina dos veículos automotores por etanol (ATALA et al., 2002). Estudos utilizando mandiocaba para produção de etanol apontaram que, enquanto uma tonelada de cana-de-açúcar produz 85 litros de álcool, a mesma quantidade de mandiocaba pode produzir até 211 litros do produto, sem a necessidade da onerosa etapa de hidrólise do amido (CARVALHO, 2009). Cada dia mais a mandioca vêm sendo utilizada na indústria química, farmacêutica e metalúrgica, integrando-se como matéria-prima de grande potencial para a produção de biocombustíveis, tem se mostrado uma alternativa energética, mais uma opção rumo à independência do petróleo (FAPESP, 2008). Apesar do grande potencial desta cultura, todos os processos exemplificados acima esbarram na carência do cultivo da mandiocaba, pelos agricultores amazônicos que não a produzem em larga escala. Tomando esse fato como limitador do uso desta mandiocaba foi objetivo deste trabalho entender a dinâmica inserida no cultivo da mandiocaba na região do Baixo Tocantins, Avaliar o potencial tecnológico de diferentes variedades de mandiocaba e os aspectos que dificultam seu cultivo. Realizar a coleta de amostras de mandiocaba de Cametá (localidade de juaba) Abaetetuba (localidade de Camurituba Centro) e Mocajuba (localidade de Cairarí) localizadas no baixo Tocantins. Avaliar rendimentos de cada variedade em relação à quantidade de casca, massa, extrato líquido e amido. Caracterizar as raízes quanto ao teor de açúcares solúveis (redutores, e totais). Coletar informações in loco sobre o conhecimento das potencialidades da mandiocaba pelos produtores. Realizar ensaios fermentativos para avaliar o potencial de seu extrato para a produção de etanol.

Material e métodos

MATÉRIA-PRIMA A matéria-prima (mandiocaba) utilizada nas análises físico-químicas foram obtidas em plantações no município de Cametá-PA, sendo duas amostras de mandiocaba e uma de mandioca normal vindos das localidades de Juaba: mandiocaba (3,475 kg) e mandioca branca (normal) (3,309 kg) e localidade de Mocajuba em mandiocaba de Cairarí (10,0 kg). As amostras foram levadas ao laboratório da Universidade do Estado do Pará Campus Cametá e foram descascadas, lavadas, trituradas, prensadas e armazenadas (-18 °C) até utilização. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DA RAIZ E DO EXTRATO Umidade:método gravimétrico, em estufa a 105 °C, de acordo com a AOAC (1997), método n° 925.10. Cinzas:método gravimétrico, por incineração da amostra em forno a 550 °C, de acordo com a AOAC (1997), método n° 923.03. Açucares redutores e totais:métodos de Fehling, de acordo com AOAC (1997), método n° 920.183b. (ºBrix):Analise feita através da leitura em refratômetro (marca: BIOBRIX, modelo 103). (pH): potenciômetro, de acordo com a AOAC (1997), método nº 943.02. RENDIMENTO Os percentuais de casca, extrato liquido, massa e amido foram calculados em relação a quantidade total de raiz coletada. PRODUÇÃO DE ETANOL As fermentações foram conduzidas utilizando a manipueira da mandiocaba como fonte de carbono, fez-se uma suplementação com uma solução de fosfatos e sulfato de amônio como fonte de nitrogênio, contendo (por L): 5,8g K2HPO4, 3,7g KH2PO4, 1,6g (NH4)2PO4 e 0,25g MgSO4.7H2O. O pH foi ajustado para 6,8- 7,0 o meio foi pasteurizado em banho-maria (75°C/30 min). O inóculo foi previamente preparado em frasco de 250 mL, com 100 mL de meio mineral, partindo-se de algumas alçadas de uma colônia obtida de cultura em placa. Cada frasco, submetido à agitação, foi inoculado com 2 mL da cultura. Para as determinações analíticas foi utilizado o conteúdo total de cada frasco. O cultivo foi realizado a 30 °C/200 rpm. DETERMINAÇÕES ANALÍTICAS Após centrifugação, a concentração celular foi determinada por gravimetria, até peso constante. A concentração de glicose na manipueira foi determinada pelo método enzimático colorimétrico a 500 nm (TRINDER, 1969). A velocidade específica máxima de crescimento e o fator de conversão de substrato em biomassa foram calculados com base nas Equações 1 e 2. ln(X) = ln (X0) + µmax . t Eq. 1 Yx/s = -dx/ds Eq. 2 onde, X e Xo = concentração de biomassa final e inicial (g.L-1 ); µmáx = velocidade específica máxima de crescimento (h-1 ); t = tempo (h); Yx/s = fator de conversão de substrato em biomassa (gX.gs -1 ) e S = concentração de substrato residual (g.L-1). ANÁLISES ESTATÍSTICAS Aos dados da caracterização físico-química, foi aplicado o teste de TUKEY (α= 0,05) utilizando o programa computacional estatística 7,0. As fermentações foram analisadas no programa excel 2016.

Resultado e discussão

RENDIMENTO DA MANDIOCABA Os resultados obtidos em relação ao comportamento da mandiocaba em diferentes localidades do baixo Tocantins mostra que as variáveis analisadas apresentaram diferenças com relação à composição das variedades estudadas, como mostra a Tabela 1.Na etapa de obtenção que se refere ao extrato liquido observou-se uma diferença entre as cultivares analisadas, a qual está relacionada possivelmente com a quantidade da matéria-prima adquirida. Com relação ao teor de amido é pode-se observar uma grande diferença no percentual da mandiocaba da amostra branca (0,7%) em comparação com as outras (0,4% - 0,03%), por esta apresentar uma elevada concentração de matéria seca, dentre outros fatores como possivelmente o genótipo (cor branca), o solo e a idade. Maffra e Oliveira (2008) estudaram dois acessos de mandiocaba (São João de Pirabas e Cametá) e encontraram valores de amido próximos (0,23 e 0,41%) o qual comprova que os resultados realizados no presente estudo para as amostras de juaba (0,4 e 0,7%) se encontram de acordo com a literatura. Os valores apresentados de amido das variedades de mandiocaba são valores inferiores (0,4%, 0,03% e 0,7%) comparativamente aos trabalhos publicados em relação à mandioca (30% a 35%) de carboidratos (principalmente amido) (MATSUURA; FOLEGATTI; SARMENTO, 2003). As raízes de mandiocas convencionais são, portanto, essencialmente energéticas apresentando elevados teores de amido. Outro fator observado foi à dificuldade na decantação do amido da variedade de Mocajuba, mostrando que esta apresenta uma quantidade inferior com relação às outras amostras analisadas. Contudo, segundo Carvalho et al. (2004), o amido obtido da mandiocaba pode ser considerado um “amido modificado natural”, por apresentar uma estrutura altamente ramificada similar à do glicogênio. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DAS VARIEDADES DE MANDIOCABA Na Tabela 2 é possível verificar as principais características físico- químicas encontradas na raiz da mandiocaba. Segundo estudos realizados por Oliveira et al., (2007), o caldo de cana apresenta 0,49 % em açucares redutores, representado em sua maior parte pela sacarose, onde é necessário a transformação da sacarose em glicose o que torna o processo mais demorado e oneroso. Já para a mandiocaba recentemente, é possível encontrar cerca de 35% de glicose e pelo menos 10% de sacarose nessa raiz, mostrando que o açúcar que tem na cana é em sua grande parte sacarose, apenas 12% levando cerca de 14 horas para a produção do etanol. E que a composição de açúcar (a glicose) presente na mandiocaba confere uma maior rapidez no processo de conversão em álcool dispensando outras etapas.Com base na análise de variância em relação à umidade para a massa fibrosa a amostra Juaba apresentou maior conteúdo de água (81,44 %), diferindo estatisticamente (α = 0,05) das demais, que possivelmente esta diferença nos teores de umidade das raízes pode ser oriunda da variação da quantidade de água disponível no solo. Porém os resultados de umidade para o extrato liquido foram superiores a 90%, nos três acessos estando de acordo com dados da literatura. Enquanto as variedades convencionais de mandioca apresentam valores de umidade próximos de 65% (CEREDA, 2001; HILLOCKS; THRESH; BELLOTI, 2002). Percentuais de umidade superiores a 65% tornam a raiz mais instável e perecível, pois o teor de umidade da raiz de mandioca tem grande importância, por influenciar na qualidade do produto, por proporcionar crescimento microbiano e deterioração em curto tempo (SOUZA et al., 2008). Dessa forma, as raízes de genótipos de mandioca açucarada, apresentam menos estabilidade pós-colheita que às mandiocas brava e macaxeiras.Na análise realizada para cinzas houve uma variação nos percentuais das três frações. Estes valores estão abaixo dos obtidos por Pereira e Beléia (2004), 0,8%. Nas três frações de açucares redutores há uma diferença significativa em nível de 95 % de significância, em relação à massa fibrosa e extrato líquido onde a variedade de Mocajuba apresentou valores (3,64 % e 5,34 %) sempre superior as demais. Com relação à fração de amido observa-se que a variedade de Juaba apresenta maior percentual em relação aos açucares redutores (6,87%). Verificou-se também uma diferença significativa nos açucares totais e relação às três frações, onde a variedade de Juaba se sobressai na fração de massa fibrosa com 8,95% e fração de amido 13,74%. Para os resultados de extrato líquido, a variedade de Mocajuba apresentou um rendimento de 10,92% de açucares totais. Vale ressaltar que o principal açúcar encontrado, tanto na mandiocaba, quanto na mandioca é a glicose, contudo na mandiocaba são encontrados outros açúcares e derivados não encontrado na mandioca, como a manose, que raramente é encontrada na natureza em sua forma livre, além de apresentar altas quantidades de galactose, arabinose e raminose (CARVALHO et al. 2004).Sendo estes açucares (redutores e totais), os mais indicados para a produção de xarope e para a produção do etanol, entre os acessos estudados. Contudo os três acessos apresentaram altos teores de açúcares redutores e totais, quando comparados aos encontrados na mandioca (≤ 0,48% de redutores e ≤ 0,83% de totais) (OLIVEIRA; MORAES, 2009; HILLOCKS; THRESH; BELLOTI, 2002). Onde os açucares redutores representam a maior fração dos açucares totais nos três acessos estando de acordo com o observado por Carvalho et al. (2004), que citam a glicose como açúcar predominante na mandiocaba. PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO EXTRATO DE MANDIOCABA A partir das duas amostras de mandiocaba (Mocajuba e Juaba) que apresentaram os maiores teores de açúcares totais (10,92 % e 9,07 % respectivamente), foram realizados ensaios de fermentação para a produção de etanol utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae. Na Figura 1 é possível observar o comportamento fermentativo da levedura no extrato doce da mandiocaba. Percebe-se no gráfico que houve um comportamento semelhante entre na fermentação das duas variedades de mandiocaba. STECKELBERG, 2001 também observou comportamentos semelhante. O crescimento celular é mais evidente após duas horas de cultivo celular e apresenta para as duas fermentações um crescimento exponencial a partir de 4 horas de cultivo e se mantendo até as 8 horas quando percebe-se uma linearidade no crescimento característica da fase estacionaria em processos fermentativos. O estudo cinético mostrou que a velocidade especifica máxima de crescimento celular foi maior para o cultivo na variedade de Mocajuba do que para a variedade de juaba (µmax= 0,16 h-1 e µmax= 0,15 h-1¬ respectivamente). Estes dados estão de acordo com a estequimetrica calculada para a conversão do carbono da mandiocaba em composição celular que apresentou valores bem superiores para a variedade de Mocajuba (Yx/s=0,67 gX . gS-1) e para a variedade de Juaba (Yx/s=0,67 gX . gS-1) semelhante ao encontrado por MACHADO, (1999) para melaço de soja. O consumo do açúcar da mandiocaba é quase totalmente consumido em 12 horas de cultivo. Todos os dados cinéticos apresentaram bom ajustes que podem ser verificados pelo coeficiente de determinação R2 na Figura 1. Estes dados são importantes e dão uma boa noção de como se pode conduzir uma possível fermentação a uma escala maior dessa matéria-prima podendo-se obter valores bem maiores em cultivos que tenham um maior controle de processo como o biorreatores, por exemplo (AMORIM, BASSO e ALVES, 1996). Apesar de não ter sido quantificado a quantidade de etanol produzido, os dados demonstram que a Saccharomyces cerevisiae tem boa adaptabilidade no extrato de mandiocaba e consome bem o açúcar deste substrato sugerindo fortemente que a mandiocaba pode vir a ser um bom substrato para a produção de etanol. Este fato é um excelente indicador de para novas possibilidades de utilização desta cultura que pode ser uma nova fonte de renda para as famílias rurais do Baixo Tocantins.

Médias antecedidas de mesma letra na vertical não diferem significativamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade, pelo Teste de Tukey.


Figura 1 Cinética de fermentação das variedades de mandiocaba (Mocajuba e Juaba). Parâmetros Cinéticos do processo fermentativo.

Conclusões

As variedades de mandiocaba estudadas apresentaram teores elevados de extrato liquido > 70% e baixo teor de amido. Foi possível encontrar uma concentração de açúcares totais de até 10,92 % no extrato liquido de mandiocaba. As características físico-químicas, apresentam diferença significativa (α = 0,05), ou seja, a localidade, época de colheita, etc, é fator de importância para as variedades estudadas. O estudo cinético mostrou que a velocidade especifica máxima de crescimento celular foi maior para o cultivo na variedade de Mocajuba do que para a variedade de juaba (µmax= 0,16 h-1 e µmax= 0,15 h-1¬ respectivamente). Estes dados estão de acordo com a estequimetrica calculada para a conversão do carbono da mandiocaba em composição celular que apresentou valores bem superiores para a variedade de Mocajuba (Yx/s=0,67 gX . gS-1) e para a variedade de Juaba (Yx/s=0,67 gX . gS-1). Saccharomyces cerevisiae, mostrou boa capacidade de consumo do açúcar do extrato da mandiocaba. Estes fatos podem indicar que a mandiocaba tem potencial para ser utilizada na produção de etanol.

Agradecimentos

A Universidade do Estado do Pará

Referências

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