Determinação do Fator de Proteção Relativo dos Extratos de Pimenta, Folhas de Bacupari, Folhas de café arábica e Sálvia em mistura com Biodiesel B100

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Química Tecnológica

Autores

Moreira, I. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Galvan, D. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Cremasco, H.S. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Bordin, M.S.P. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Borsato, D. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Spacino, K.R. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Gregório, A.P.H. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Chendynski, L.T. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Denobi, B.A.F. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Romagnoli, E.S. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA)

Resumo

Com a finalidade de inibir o processo oxidativo, foram adicionados ao biodiesel B100, os extratos dos antioxidantes naturais: pimenta, folhas de bacupari, folhas de café arábica e sálvia, em diferentes proporções, para avaliar o fator de proteção relativo (FPR) determinado através do período de indução (PI) utilizando o método Rancimat, nas temperaturas de 110, 115, 120 e 125°C. A partir das equações preditivas obtidas pelo delineamento experimental de misturas simplex-centroide, a otimização multirresposta indicou valores de FPR na faixa de temperatura estudada iguais a 2,2531, 2,0557, 2,0717, 1,8443 para a mistura contendo os extratos na proporção de 60% de folhas de café arábica, 25% de sálvia e 15% de pimenta.

Palavras chaves

Análise termogravimétrica; Antioxidantes Naturais; Simplex-centroide

Introdução

Entre os biocombustíveis mais promissores destaca-se o biodiesel, que apesar de fornecer em torno de 10% menos energia que o diesel de petróleo, tem um desempenho no motor, no que diz respeito à potência e ao torque, muito próximo ao combustível fóssil, com as vantagens de apresentar maior viscosidade, proporcionando melhor lubrificação que o diesel mineral, maior ponto de fulgor, miscibilidade com o petrodiesel, biodegradável e produzido por diferentes fontes oleaginosas, entre outras (CINI et al.,2013; KNOTHE.,2013). Este combustível constitui-se em uma mistura de ésteres alquilícos de ácidos graxos, produzido pela reação de transesterificação a partir de óleo vegetal e/ou gordura animal com álcoois de cadeia curta, em presença de um catalisador (BORSATO et al., 2010). Existem algumas desvantagens para o uso desse combustível, sendo a principal delas o fato de apresentar menor estabilidade oxidativa em relação ao diesel mineral devido a presença das ligações insaturadas nas cadeias carbônicas provenientes dos ácidos graxos da matéria- prima, que podem comprometer a armazenagem e utilização do biocombustível (SUVEGES et al.,2015). Para evitar ou retardar a degradação do biodiesel, dos óleos e gorduras, são empregados substâncias químicas denominados de antioxidantes ou estabilizadores (BORSATO et al.,2010). O uso de antioxidantes naturais têm sido eficientes na inibição da oxidação lipídica e apresentam-se como alternativa bastante viável devido a sua baixa toxicidade, não causarem danos ao meio ambiente e serem facilmente obtidos (CORDEIRO et al.,2013; POKORNY, 2007). No biodiesel, a ação dos agentes antioxidantes é capturar os radicais livres formados durante os processos oxidativos, interrompendo a reação em cadeia de degradação do combustível. Estes antioxidantes em geral são compostos que incluem flavonóides, ácidos fenólicos, carotenóides, terpenos, tocoferóis mixados, fosfolipídios e ácidos orgânicos polifuncionais em sua estrutura química contendo grupos aminas ou hidroxilas com elétrons de valência livres mais eletroativos que os ácidos graxos insaturados na estrutura do biodiesel (SPACINO et al.,2016; SANTOS et al.,2012; KAUR & KAPOOR, 2001). O método padrão para a determinação da estabilidade oxidativa (Período de Indução) é o Rancimat, onde óleos e gorduras são aquecidos e os produtos formados pela decomposição são arrastados por um fluxo de ar dentro de uma célula de medição abastecida por água destilada. O período de indução (PI) é determinado pela alteração da condutividade que estes materiais causam na água destilada que retém os ácidos voláteis liberados durante a oxidação do combustível (SILVA et al.,2015). A estabilidade oxidativa é um fator que influencia diretamente no controle da qualidade do biocombustível (DANTAS et al.,2011; ANDRADE et al., 2015). O fator de proteção relativo (FPR), definido pela razão entre o PI das amostras contendo biodiesel em mistura com antioxidantes naturais e o PI do controle (sem antioxidantes), tem sido usado em alguns estudos para avaliar a eficiência de antioxidantes naturais na inibição do processo oxidativo do biodiesel e óleos vegetais (SPACINO et al.,2016). Este parâmetro pode avaliado por meio do delineamento experimental de mistura simplex-centroide proposto por Scheffé, (SCHEFFÉ,1963) porque esta ferramenta permite avaliar a influência dos componentes individuais bem como as suas misturas, permitindo com isso explorar toda a região experimental (BORSATO et al., 2010; BORSATO et al.,2014). Este delineamento é visto como uma tecnologia de qualidade para se atingir a excelência de um produto, sendo um instrumento usado para otimizar sistemas e processos, acelerar o ciclo de desenvolvimento, reduzir os custos e solucionar problemas de fabricação (CINI et al.,2013). No presente trabalho será realizada uma interpretação da análise termogravimétria dos antioxidantes naturais pimenta (Capsicum sp), folhas de bacupari (Garcinia gardneriana), folhas de café arábica (Coffea sp) e sálvia (Salvia officinalis) para justificar os resultados experimentais do FPR, utilizando como ferramenta o delineamento simplex-centroide para a otimização dos resultados.

Material e métodos

A reação de transesterificação dos triglicerídeos do óleo de soja sem antioxidantes foi efetuada com metanol absoluto, grau analítico, utilizando como catalisador o metóxido de sódio na concentração de 0,8g.50 mL^-1 de álcool metílico sob refluxo e agitação lenta durante duas horas à 60 °C. Os ésteres obtidos foram lavados com solução aquosa contendo 1,5% de ácido clorídrico, à 80˚C, e, em seguida, com água a mesma temperatura até o pH neutro e desumidificados com sulfato de sódio anidro. Para a preparação dos extratos alcoólicos dos antioxidantes naturais: pimenta, folhas de bacupari, folhas de café arábica e sálvia, pesou-se 10 g de cada amostra desidradata, e adicionou- as em 250 mL de etanol absoluto misturando ambos. Esta mistura foi mantida durante 48 h em repouso e os extratos foram submetidos à filtração. Evaporou- se os filtrados até a obtenção de aproximadamente 50 mL a 60 ºC, onde foram transferidos para balões volumétricos de 50 mL e aferidos com etanol absoluto. A proporção dos extratos adicionados em cada amostra de biodiesel foi de 2,56 mg de fenóis/100 g de biodiesel, após total evaporação do álcool etílico e antes da avaliação da estabilidade oxidativa. A determinação do teor de compostos fenólicos totais presentes foi realizada utilizando o método de Folin–Ciocalteu. Expressou-se o teor de polifenóis totais em mg equivalente a Ácido Gálico (EAG) g^-1massa seca. A avaliação quantitativa da atividade antioxidante foi realizada monitorando-se o consumo do radical livre DPPH (2,2-diphenil-1-picrilhydrazil) pelas amostras, através da medida do decréscimo da absorbância utilizando o espectrofotômetro UV-Vis à 517 nm, tendo como padrão o TROLOX (6-hidroxi-2,5,7,8-tetrametilcromo-2-ácido carboxílico). A análise termogravimétrica foi realizada com o equipamento modelo TGA 4000, thermogavimetric analyzer PerkinElmer. O fluxo de gás (N₂) foi de 20 mL/min, iniciando em 25ºC com razão de aquecimento de 10ºC/min até 600 ºC. As amostras de 3 g de biodiesel, contendo as quantidades dos extratos dos antioxidantes naturais estabelecidas pelo delineamento, bem como, as amostras controle, foram levadas ao aquecimento acelerado no equipamento Rancimat modelo 873, em triplicata, em temperaturas de 110, 115, 120 e 125 ºC, em concordância com a norma oficial EN 14112. O fator de proteção relativa (FPR) foi determinado a partir da razão entre a estabilidade oxidativa do biodiesel B100 contendo o antioxidante e da amostra de controle. Utilizou-se o planejamento simplex-centroide e a função utilizada foi do tipo quadrática em que, Y representa a variável dependente obtida das respostas (entalpia, entropia, energia livre de Gibbs) e x₁, x₂, x₃ e x₄ são as variáveis independentes e correspondem, respectivamente a proporção dos extratos secos de pimenta, folhas de bacupari, folhas de café arábica e sálvia.

Resultado e discussão

Antes da avaliação da estabilidade oxidativa foram realizados os métodos de Folin Ciocalteau e o método do sequestro de radicais livres - DPPH para determinar o teor de compostos fenólicos totais e a atividade antioxidante dos extratos alcoólicos adicionados ao biodiesel. O teor de fenóis totais, nos extratos de pimenta, folhas de bacupari, folhas de café arábica e sálvia foi respectivamente de 19,488, 9,627, 12,472 e 10,367 mgEAG g^-1 massa seca, com atividade antioxidante de 19,466, 8,063, 11,246 e 8,243 mgTrolox g-1massa seca, obtendo uma relação linear entre o teor de fenóis e a atividade antioxidante com um coeficiente de determinação (R²) igual a 0,997. As amostras do biodiesel B100, em mistura com os extratos secos em diferentes proporções, bem como o controle, sem adição de antioxidantes, foram submetidas ao teste acelerado de estabilidade oxidativa pelo método Rancimat nas temperaturas de 110, 115, 120 e 125°C para a determinação do PI, um parâmetro comparativo e considerado eficiente para avaliar a ação dos antioxidantes na inibição do processo oxidativo (KNOTHE.,2007; SPACINO et al, 2016). O alto teor de ésteres de ácidos graxos insaturados na composição química do biodiesel B100, facilita sua oxidação conduzindo a baixos valores do período de indução, cujo valor mínimo deve ser superior a 6 h, a 110 ºC para atender as especificações estabelecidas pela norma EN14112 (BORSATO et al., 2010; YANG.,2013). A tabela 1 mostra o PI para cada ensaio do delineamento experimental de mistura simplex-centroide em diferentes temperaturas. De acordo com a tabela 1, a adição dos extratos alcoólicos ao biodiesel aumentou o PI em todos os tratamentos quando comparados com o controle e com o aumento da temperatura de oxidação ocorreu uma redução do PI. O extrato de pimenta utilizado isoladamente (tratamento 1), apresentou o menor valor de PI em todas as temperaturas do ensaio experimental, indicando um efeito protetor inferior quando comparado com os outros antioxidantes naturais e ainda a 110 °C, apresentou um valor de PI menor que o mínimo estabelecido, entretanto sua mistura com os outros condimentos aumenta o efeito de proteção ao biodiesel, e consequentemente o PI. Entre os antioxidantes utilizados, o extrato de folhas de café arábica (tratamento 3) apresentou-se como o mais eficaz, e sua mistura binária com o extrato de sálvia (tratamento 10) apresentou os maiores valores para o PI nas temperaturas de 110°C, 115°C e 125°C. O aumento do período de indução por meio da adição de um antioxidante tem sido relacionado à eficiência do antioxidante, que é expresso como fator de proteção (Tabela 2) ou índice antioxidante, dado pela razão entre o período de indução de um óleo na presença do antioxidante e o período de indução do mesmo na ausência de antioxidantes (HOLASOVA et al., 2006). A mistura binária entre folhas de café arábica e sálvia (tratamento 10) foi a que apresentou melhor eficácia na proteção do biodiesel com os maiores valores de FPR nas temperaturas de 110,115 e 125°C. O extrato de pimenta (Tratamento 1) apresentou o menor valor de FPR para todas as temperaturas, no entanto a 120 °C a mistura binária entre o seu extrato e folhas de café arábica (Tratamento 6) apresentou o maior valor de FPR. A fim de justificar estes resultados foi realizado a análise termogravimétrica dos extratos liofilizados com o intuito de verificar se o perfil da decomposição térmica dos extratos está relacionada com a capacidade antioxidante de proteger o biodiesel. O extrato alcoólico de pimenta, apresenta um alto teor de fenóis, no entanto sua decomposição térmica se inicia antes do teste da estabilidade oxidativa e ainda apresenta outro evento a 133,49 °C, ou seja, o extrato apresenta duas decomposições térmica próximas da faixa de temperatura utilizadas no teste Rancimat o que diminui seu efeito protetor quando adicionado ao biodiesel isoladamente. O extrato de folhas de café arábica também inicia sua decomposição térmica antes de iniciar a teste da estabilidade oxidativa com uma perda de massa de 9,56%, mas sua segunda decomposição térmica ocorre apenas após o término do teste Rancimat, a 201,92°C, assim o valor de FPR é compensado por este apresentar uma boa atividade antioxidante e relativo teor de fenóis. Os extratos alcoólicos de sálvia e folhas de bacupari apresentam valores próximos e os menores em comparação com os outros condimentos para o teor de fenóis e atividade antioxidante no entanto a análise termogravimétrica mostrou que o extrato de sálvia tem seu primeiro evento térmico após o término do teste Rancimat, apresentando uma estabilidade térmica bem mais elevada quando comparada com os outros extratos o que aumenta seu efeito de proteção na reação de oxidação do biodiesel. Com a aplicação do delineamento experimental de mistura simplex- centroide, foram obtidos os modelos matemáticos, contendo apenas os termos significativos, onde Y representa a variável dependente, FPR, para as temperaturas de 110, 115,120 e 125°C e x₁, x₂, x₃ e x₄ são as variáveis independentes que correspondem respectivamente aos extratos alcoólicos de pimenta, folhas de bacupari, folhas de café vermelho e sálvia. Os coeficientes de determinação (R²) variaram de 0,87 a 0,98, os coeficientes de determinação ajustados (R²aj) de 0,80 a 0,95 e a análise de variância mostrou que todos os termos foram significativos em nível de 5%, indicando que os modelo podem ser usados para fins preditivos. Como o extrato de folhas de bacupari não é tão eficiente na inibição da auto-oxidação do biodiesel, as regiões de combinação foram construídas usando as três variáveis independentes mais importantes, que correspondem a proporção dos extratos de pimenta, folhas de café arábica e sálvia adicionados ao biodiesel. As regiões de formulação ótima tendem a utilizar uma mistura ternária contendo os extrato de folhas de café arábica, pimenta e sálvia com maior proporção para o extrato de folhas de café arábica. A otimização do FPR indicou uma mistura na proporção de extratos alcoólicos de 25% de pimenta, 60% de folhas de café arábica e 15% de sálvia com valores de FPR a 110°,115°,120° e 125°C respectivamente iguais a 2,2531; 2,0557; 2,0717 e 1,8443.

PI para cada ensaio do delineamento simplex- centroide.


Fator de proteção relativo para cada ensaio do delineamento experimental.

Conclusões

A análise termogravimétrica foi importante para interpretar os resultados do fator de proteção relativo que provou ser um parâmetro adequado para analisar a eficiência dos antioxidantes naturais na proteção da reação de oxidação do biodiesel. O delineamento experimental de misturas simplex-centroide mostrou-se uma ferramenta útil para a otimização multirresposta do FPR indicando uma combinação ótima na proporção de 25% de extrato de pimenta, 60% de folhas de café arábica e 15% de sálvia com valores de FPR a 110,115,120 e 125°C respectivamente iguais a 2,2531; 2,0557; 2,0717 e 1,8443.

Agradecimentos

A Universidade Estadual de Londrina e Capes pela concessão de bolsa.

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