Impressão digital na região ultravioleta de grãos de Coffea arabica L. cultivados sob elevado dióxido de carbono e estresse hídrico

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Química Analítica

Autores

Marcheafave, G.G. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Pauli, E.D. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Tormena, C.D. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Rakocevic, M. (EMBRAPA MEIO AMBIENTE) ; Bruns, R.E. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS) ; Scarminio, I.S. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA)

Resumo

Os objetivos deste estudo foram discriminar os grãos de C. arabica cultivados sob diferentes níveis de dióxido de carbono (390 microlitros por litro na atmosfera normal e 590 microlitros por litro em atmosfera elevada) e investigar o efeito da disponibilidade hídrica. Correlacionando impressões digitais adquiridas por espectrofotometria UV em resposta as diferentes condições de cultivo dos grãos, aos quais foram extraídos a partir de um planejamento estatístico de misturas utilizando etanol, éter etílico, hexano e diclorometano. As impressões digitais obtidas com etanol puro e suas misturas binárias com diclorometano e éter etílico possibilitaram a discriminação para o conjunto de dados. Os possíveis metabólicos correlacionados com essa discriminação são ácidos clorogênicos e cafestol.

Palavras chaves

Café arábica; CO2 elevado; modificação metabólica

Introdução

A fotossíntese é um processo reacional usado pelas plantas para converter energia luminosa em energia química (BARBER, 2009). Os principais fatores abióticos que afetam a taxa de fotossíntese são intensidade de luz, temperatura, água e concentração de dióxido de carbono (DAMATTA et al., 2016). Nos grãos de Coffea arabica a modificação do processo fotossintético também pode alterar o acúmulo de fotoassimilados, modificando o período de crescimento e maturação e, consequentemente, a qualidade da bebida (FAGAN et al., 2011). Mudanças no perfil metabólico da planta podem variar de alterações extremas para mínimas, incluindo variedade de classes e quantidades, o que dificulta a elucidação dessas respostas devido a diferentes perturbações (TORMENA et al., 2019). Propusemos, então, o uso de impressões digitais na busca de alterações metabólicas em grãos de C. arabica sob perturbações ambientais. Impressão digital é definida como uma série de perfis metabólicos estrategicamente extraídos que definem características para a matriz em análise. Diferentes características do perfil químico podem ser alcançadas com a variação dos sistemas de extração, usando planejamento estatísticos de mistura e escolhas adequadas de solventes (MARCHEAFAVE et al., 2019). Os objetivos deste estudo foram discriminar os grãos de C. arabica cultivados sob elevada concentração de dióxido de carbono sob variação da disponibilidade hídrica correlacionados com os principais metabólitos envolvidos. Impressões digitais foram obtidas através do planejamento estatístico de mistura usando etanol, diclorometano, hexano e éter etílico e espectrofotometria na região ultravioleta (UV).

Material e métodos

O experimento FACE foi conduzido na Embrapa Meio Ambiente, Jaguariúna, SP, Brasil. O nível normal de dióxido de carbono no início do experimento era de 390 microlitros por litro e a injeção de dióxido de carbono puro permitiu a elevação do dióxido de carbono em 200 microlitros por litro acima do nível normal. Os grãos de café foram colhidos a partir de oito plantas representativas, cultivadas sob dióxido de carbono elevado e outras oito sob níveis atuais, em que metade das plantas foram irrigadas e metade delas não. Para a extração dos grãos de café, utilizou-se um planejamento estatístico de mistura com quatro solventes: etanol (E), diclorometano (D), hexano (H) e éter etílico (e). O meio extrator consistiu de quatro solventes puros, seis misturas binárias, quatro misturas ternárias e a mistura quaternária, sendo essa última em triplicata. Cada extrato foi preparado pesando 2,50 g de grãos de C. arabica, crus e moídos, sendo adicionados em 60,0 mL das respectivas misturas de solventes. Cada mistura foi colocada em banho ultrassônico por 60 min a 15ºC e filtrada para separar a solução dos grãos. O procedimento foi repetido mais quatro vezes e o extrato líquido obtido foi utilizado para a análise. As aquisições das impressões digitais dos espectros UV-Vis foram realizadas imediatamente após a extração, com diluição de 1:9 utilizando o respectivo solvente extrativo. Os espectros foram obtidos na faixa de 190-800 nm, utilizando cubetas de quartzo com comprimento de caminho óptico de 1 cm. Análise de Componentes Principais (ACP) foi realizada utilizando o software Matlab 2007b® e as ferramentas da PLS toolbox 5.8®-Eigenvector Research. Para a suavização dos espectros foi aplicado filtro “Savitzky-Golay” com janela de 9 pontos e o conjunto de dados foi centrada na média.

Resultado e discussão

O gráfico dos escores da análise de componentes principais mostrou que na região positiva de primeira componente principal (CP1) estão localizadas as impressões digitais obtidas por etanol puro e éter etílico e suas misturas, enquanto que na região negativa estão localizadas as outras impressões digitais (Figura 1). De acordo com os loadings, as bandas em 223, 248, 292 e 328 nm estão relacionadas aos solventes etanol e éter etílico, característicos de ácidos clorogênicos (BELAY; GHOLAP, 2009). A CP2 discrimina, na região positiva, os extratos etanólicos puros e sua mistura com diclorometano (ED), enquanto na região negativa estão localizadas as impressões digitais obtidas com éter etílico puro e misturas binárias Eet, Det. Na região positiva dos loadings o etanol foi correlacionado com as bandas em 248, 292 e 328 nm, características dos ácidos clorogênicos. Já na região negativa, o éter etílico e suas misturas foram correlacionados a faixa de 226 nm, sugerindo a presença de ésteres de cafestol (NOVAES et al., 2019). Para o conjunto de dados obtidos a partir do planejamento de mistura, o teste t foi aplicado aos escores médios de CP1 e CP2 de cafeeiros irrigados e não-irrigados para confirmar os solventes com diferença significativa entre as condições atuais e elevadas de dióxido de carbono (Tabela 1). Plantas irrigadas mostram diferença significativa para 73% da CP1 e 80% para a CP2. Árvores irrigadas apresentam menor número de escores com diferença significativa, 67% para CP1 e CP2. Portanto, a partir dos resultados obtidos pela ACP, foi possível encontrar um conjunto de extratos que conseguiram indicar a discriminação entre os diferentes níveis atmosféricos de CO2, aos quais os grãos de café foram cultivos e sob diferentes condições hídricas, fato esse confirmado pelo test t dos respectivos escores.

Teste t dos escores para impressões digitais obtidas pelo planejamento estatístico de mistura - diferenças entre as condições de dióxido de carbono.


Gráfico dos escores da impressão digital na região UV para grãos de C. arabica (dióxido de carbono atual e elevado) A) não-irrigadas e B) irrigadas.

Conclusões

Grãos de café cultivados em atmosfera com aumento de carbono são suscetíveis a mudanças metabólicas, evidenciadas pela discriminação das impressões digitais. As impressões digitais obtidas com etanol puro e suas misturas binárias com diclorometano e éter etílico possibilitaram a discriminação do conjunto de dados. Os metabólitos correlacionados com essa discriminação são ácidos clorogênicos e cafestol. A maximização da diferença química entre as classes é a vantagem do uso de impressões digitais obtidas pelo planejamento estatístico de mistura.

Agradecimentos

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001 e Consórcio Pesquisa Café.

Referências

BARBER, J. Photosynthetic energy conversion: Natural and artificial. Chemical Society Reviews, v. 38, n. 1, p. 185–196, 2009.
BELAY, A.; GHOLAP, A. V. Characterization and determination of chlorogenic acids (CGA) in coffee beans by UV-Vis spectroscopy. African Journal of Pure and Applied Chemistry, v. 3, n. 11, p. 234–240, 2009.
DAMATTA, F. M. et al. Sustained enhancement of photosynthesis in coffee trees grown under free-air CO2 enrichment conditions: Disentangling the contributions of stomatal, mesophyll, and biochemical limitations. Journal of Experimental Botany, v. 67, n. 1, p. 341–352, 2016.
FAGAN, E. B. et al. Effect of time on coffee bean (Coffea sp) grouth in cup quality. Bioscience Journal, v. 27, n. 5, p. 729–738, 2011.
MARCHEAFAVE, G. G. et al. Experimental mixture design solvent effects on pigment extraction and antioxidant activity from Coffea arabica L. leaves. Microchemical Journal, v. 146, p. 713–721, maio 2019.
NOVAES, F. J. M. et al. The occurrence of cafestol and kahweol diterpenes in different coffee brews. Coffee Science, v. 14, n. 1, p. 265–280, 2019.
TORMENA, C. D. et al. Sequential mixture design optimization for divergent metabolite analysis: Enriched carbon dioxide effects on Coffea arabica L. leaves and buds. Talanta, v. 191, p. 382–389, jan. 2019.