Autores
Silva, T.M. (IFPR) ; Bolzan, J.A. (IFPR) ; Gomes, S.I.A.A. (IFPR) ; Sandri, M.C.M. (IFPR)
Resumo
Avaliou-se a Verdura Química de extração de cafeína do chá preto, técnica amplamente empregada em disciplinas experimentais de Química, a partir da métrica holística de verdura, a Estrela Verde (EV), com o objetivo de apresentar os pontos fortes, os pontos fracos, as ameaças e possibilidades para melhorarias desse experimento em vista a atender os princípios da Química Verde. Por fim, aponta-se as limitações e melhorias do protocolo experimental avaliado, que pode ser desenvolvido sem deixar de explorar os princípios de solubilidade, extrações quimicamente ativas e possíveis métodos de purificação.
Palavras chaves
Química Verde; Extração ; Cafeína
Introdução
O Conceito de química Verde (QV) foi apresentado por Anastas e Werner em 1998, e pode ser definido como “o desenho, o desenvolvimento e a aplicação de produtos e processos químicos para reduzir ou eliminar o uso de substâncias nocivas à saúde e ao Ambiente” (ANASTAS; WERNER, 1998). Essa definição se apoia aos 12 princípios da QV, também apresentadas por estes autores e elencados por Machado (2014, p. 21), denotadamente, 1) Prevenção de resíduos, 2) Economia Atômica, 3) Síntese de produtos menos perigosas, 4) Produtos mais seguros, 5) Solventes e produtos auxiliares mais seguros, 6) Eficiência energética, 7) Matérias primas renováveis, 8) Evitar formação de derivados, 9) Catálise, 10) Planificação para a degradação, 11) Análise em tempos real para a prevenção da poluição, e 12) Química intrinsecamente segura para prevenção de acidentes (MACHADO, 2014). O ensino da Química Verde objetiva os químicos em cumprir os doze princípios ou "regras" intencionais da sustentabilidade ao nível molecular. Ou seja, a capacidade criativa para produzir moléculas sem impacto para as pessoas e o planeta (LOZANO, 2015). Segundo Anastas e Eghbali (2009), a Química Verde teve um grande impacto, pois não trata apenas de uma medida de prevenção só para os químicos que fazem suas pesquisas de forma isolada, mas também conseguiu tocar as indústrias, a educação ambiental e ao público em geral. Duarte, Ribeiro & Machado (2015), ressaltam que o ensino da QV deve ser incentivado e implementado tão cedo quanto possível, de modo a formar os alunos como cidadãos conscientes dos problemas ambientais e capazes de criar soluções para os mesmos, bem como apresentar a possibilidade de alternativas não prejudiciais aos humanos e ecologicamente corretos aos procedimentos vigentes. Para isso, faz-se necessário avaliar a cada experimento, antes de ser posto em prática para trabalhar de forma, segura e preventiva, pois avaliar a verdura de protocolos experimentais não trata apenas ver o quanto uma atividade possa ser verde e sim avaliar cada um dos 12 princípios, para posterirormente realizar uma prática consciente e com responsabilidade. Sendo assim, os princípios da QV servem como guia para o desenvolvimento de produtos e processos ambientalmente benignos. No entanto, pelo fato da aferição da Verdura Química destes processos ser bastante complexa, exige quantificação, na medida do possível por meio de métricas variadas, que podem agrupar-se, em métricas de massa, métricas ambientais e métricas holísticas (RIBEIRO & MACHADO, 2012). Segundo Sandri e Santin (2017, p. 100), a Química Verde representa uma nova forma de praticar a Química, de modo a considerar além de suas implicações tecnológicas e econômicas, também seus impactos socioambientais. Á uma necessidade de inserir de forma transversal os princípios da QV, ou seja, permeá-los em diferentes disciplinas e práticas metodológicas, oportunizando um caráter teórico, prático e vivencial de forma problematizada, contextualizada e crítica. Ou seja, é de forma transversal e perene que a QV deve ser inserida nos cursos de Química. A Química Orgânica, é apenas uma das diversas áreas da Química que muitas vezes é má vista, em função da quantidade de reagentes utilizados, o uso de combustíveis e solventes em processos químicos, os mais complexos medicamentos que são produzidos, reações de sínteses e os solventes empregados nas técnicas de extração e purificação de substâncias tanto em aulas de Química, quanto em processos laboratoriais e industriais. Isso significa dizer que pela natureza das atividades realizadas, neste caso mais especificamente em atividades voltadas para a Química Orgânica, são as que mais podem apresentar baixo índice de verdura. As práticas de extração da cafeína por exemplo, geralmente empregam solventes altamente tóxicos como o clorofórmio, o diclorometano e ácidos e bases inorgânicas úteis nas extrações quimicamente ativas. Estas extrações também são realizadas na maioria das vezes em temperaturas e pressões diferentes do ambiente, podem gerar resíduos que nem sempre são inócuos, tornando-se prejudiciais a saúde humana e a natureza. Em detrimento disso, considera-se importante a avaliação da Verdura Química das técnicas experimentais antes de sua execução. Para realizar uma avaliação de verdura enquadrada pelos 12 princípios da QV, é necessário saber as condições de cada experimento, se envolvem reações de síntese ou não, quais reagentes necessários e, se faz uso de reagentes auxiliares, agentes de purificação, secantes e se haverá geração de resíduos. Também é importante saber a temperatura e pressão para realização de cada procedimento experimental. Valendo-se das métricas holísticas, mais especificamente a EV, este trabalho teve como principal objetivo avaliar a Verdura Química de uma técnica de extração da cafeína proposta por Alves (2018) e apresentar melhorias que tornassem o experimento menos impactante.
Material e métodos
Protocolo Experimental para Extração da Cafeína A extração aquosa propõe pesar 15 g de chá preto, adicionar 5 g de CaCO3 e juntar 180 mL de água destilada. Aquecer a mistura em ebulição por 30 minutos e manter sob agitação. Filtrar sob pressão reduzida, adicionar ao filtrado NaCl no meio aquoso e agitar. Extrair a cafeína em duas etapas com 25 mL de diclorometano (DCM). Adicionar 4 g de MgSO4 anidro a fase inferior recolhida, filtrar. Destilar o DCM após a extração. Pesar e determinar o rendimento da cafeína bruta. A purificação não é indicada no método (ALVES, 2018). Estrela Verde (EV) A Estrela Verde (EV) ou Green Star, (GS), é uma métrica holística que analisa dada situação concreta, em que cada ponta da estrela corresponde a um dos princípios da Química Verde (QV), e o respectivo comprimento é proporcional ao grau de seu cumprimento, portanto quanto maior e mais verde for a estrela, maior é a Verdura Química. Apesar da estrela não ter resultados muito precisos ela apresenta como vantagens a fácil visualização, devido sua representação gráfica, que permite uma comparação visual e imediata de quão verde é o processo em desenvolvimento (DUARTE, RIBEIRO & MACHADO, 2015). Machado (2014) descreve os passos para a construção da métrica EV, considerando pontuações a partir de critérios pré-estabelecidos pontuados de 1 (um) a 3 (três), conforme a verdura química apresentada a seguir: 1- Ausência de verdura química (vermelhos); 2- Verdura química parcial (aceitável, porém com restrições); 3- Plenamente verde (o ideal). A pontuação é dada de acordo com a avaliação realizada para cada experimento. Se não for possível, atribui-se pontuação de valor 1 (precaução). A EV é obtida de modo simples, a partir das pontuações (1 a 3), alimentadas em uma folha do Excel disponível em http://educa.fc.up.pt/avaliacaoverdura, disponível gratuitamente pela Universidade do Porto, em Portugal ou alimentação direta na plataforma online do Educa (2018), a qual permite a inserção dos dados do experimento e automaticamente projeta a EV em um gráfico radial de acordo com o número de princípios considerados (MACHADO, 2014). Para a construção da Estrela Verde proveniente de análise sem síntese (06 pontas), são seguidos os seguintes passos: 1- Pesquisa de todas as substâncias do experimento; 2- Conhecimento das informações sobre os perigos existentes (físicos, à saúde e ao ambiente), a partir das fichas de dados de segurança (SDS) e, eventualmente, outras fontes; 3- Pontuação das substâncias, de acordo com valores de 1 a 3, mínima e máxima, respectivamente. E de acordo com os critérios para a classificação das substâncias para a construção de Estrela Verde, conforme orienta Machado, 2014; 4- Pontuação de cumprimento dos princípios em 1, 2 ou 3, segundo os critérios pré-estabelecidos por Machado (2014), para a classificação das substâncias para a construção de estrela verde; 5- Construção da Estrela Verde.
Resultado e discussão
A cafeína é uma sustância altamente solúvel em água, tem ponto de ebulição
178°C, e por isso o seu isolamento das folhas de chá é realizado a partir de
extração em meio aquoso. Devido a cafeína não ser a única substância
encontrada nas folhas do chá, um dos problemas encontrado no isolamento é a
presença de outros produtos naturais, que são a celulose, os taninos, os
flavonoides e a clorofila. A celulose é um polímero da glicose, que não
apresenta problema no processo de extração da cafeína devido ser praticamente
insolúvel em água. Já os taninos e flavonoides, compostos fenólicos de elevado
peso molecular, hidrolisam em meio aquoso produzindo glicose e ácido gálico,
solúveis em água, podendo interferir na extração da cafeína (PAVIA et al.,
2009). Uma maneira de facilitar o isolamento da cafeína é pela adição de
compostos de caráter básico, como o carbonato de sódio (Na2CO3), hidróxido de
sódio (NaOH), óxido de magnésio (MgO) ou carbonato de cálcio (CaCO3) ao meio
aquoso.
A técnica de extração da cafeína avaliada neste trabalho, indica o uso de
CaCO3, um sal básico que reage com os taninos e flavonoides formando sais
insolúveis de cálcio, que precipitam no meio aquoso (PAVIA et al., 2009;
OLIVEIRA et al., 2013). Na sequência é realizada uma extração com solvente
orgânico, o DCM, devido à alta solubilidade da cafeína neste solvente e à sua
capacidade de remoção sem alterar as principais características organoléticas,
principalmente o odor (SIMÕES et al., 2012). A solubilidade da cafeína em água
é 2,0 g/ 100 mL à 25 oC (SIMÕES et al., 2012), e a solubilidade da cafeína é
cerca de 9 vezes superior no DCM do que na água na mesma temperatura
(EVDOKIMOV, 2000).
A Figura 1, mostra a Estrela Verde da extração da cafeína, construída
automaticamente na plataforma online http://educa.fc.up.pt/avaliacaoverdura,
com destaque aos princípios da QV, relacionados com tantos quantas pontas
verdes, parcialmente verdes e vermelhas apresenta.
A EV da técnica de extração da cafeína, pontua positivamente no princípio 1
(P1), que trata da prevenção – o experimento faz o uso de substâncias com
baixos riscos físicos a saúde e geração de resíduos inócuos com exceção do
diclorometano que é altamente tóxico a saúde e ao ambiente, por apresentar
riscos de carcinogenicidade, toxicidade sistêmica de órgão-alvo específico,
Sistema Nervoso Central (SNC), à moderados, como a irritação da pele e ocular
e ainda, se tratar de um organoclorado poluente. Neste experimento, a
plataforma online pontua totalmente o princípio, devido a possibilidade de
recuperação do DMC na fase orgânica, geração de resíduos inócuos. Entretanto,
nota-se que o método apresenta limitações em relação aos critérios da análise,
quando comparado a avaliação da técnica à outras métricas, como a matriz verde
por exemplo, proposta por Machado (2014), adaptada por Sandri e Santin (2017),
métrica holística mais detalhista que permite identificar riscos em uma
análise prévia. O princípio 7 (P7), é atendido parcialmente devido a
utilização de substâncias renováveis, o cloreto de sódio (NaCl) e o carbonato
de sódio (CaCO3). E, apesar do DCM não ser renovável, o experimento indica a
recuperação, o que torna o princípio 7 parcial. A EV não atende os princípios:
P5, que trata de solventes e outras substâncias auxiliares, como o
diclorometano utilizado na fase orgânica de extração (riscos à saúde e ao meio
ambiente) e pelo uso de um volume de água superior a 50 mL (180 mL) durante a
extração aquosa; P6, eficiência energética (realização do experimento em
pressão e temperatura diferente da ambiental); P10, não há planificação para a
degradação; e P12, Química intrinsecamente segura, que identifica os riscos
envolvidos pelas substâncias, neste caso o DCM, que traz riscos elevados
devido sua toxicidade a saúde, como a irritação da pele (H315), irritação
ocular (H319), carcinogenicidade (H351), toxicidade sistêmica de órgão-alvo
específico - SNC (H336), e os equipamentos empregados no experimento. Este
princípio é muito difícil de ser integralmente atendido, em consequência ao
uso inevitável de materiais convencionais de laboratório para extração da
cafeína, que envolvem riscos de periculosidade relacionados ao uso de solvente
orgânico, aquecimento, eletricidade e vidrarias cortantes (quando quebradas
acidentalmente durante um experimento). Para melhorar a verdura do P5 sugere-
se a redução da massa em gramas do chá preto de 15 gramas para aproximadamente
6 gramas (03 saquinhos de chá preto), a redução do volume de água utilizado na
extração aquosa de 180 mL para 100 mL e a redução do volume de DMC empregado
na extração orgânica para 15 mL.
Segundo Paiva et al. (2009), a clorofila também encontrada nas folhas de chá é
muito solúvel em água e parcialmente solúvel em diclorometano, sendo que a
cafeína extraída pode conter resquícios de clorofila, que pode ser eliminada
totalmente durante sua purificação por meio de técnicas de recristalização com
solventes orgânicos (tolueno, benzeno quente e éter de petróleo, propanona) ou
por sublimação (OLIVEIRA et al., 2013). Como o método de extração de cafeína
avaliado neste trabalho, não apresenta uma alternativa para a purificação,
apresenta-se como possibilidade a sublimação ou a purificação com solventes,
indicando a utilização da acetona que não apresenta riscos físicos, à saúde e
ao ambiente (líquido inflamável - H225, irritação ocular - H319, toxicidade
sistêmica de órgão-alvo específico - exposição única/SNC - H336), tão elevados
quanto o hexano (líquido inflamável - H225, irritação da pele - H315,
toxicidade à reprodução - H361fd, toxicidade sistêmica de órgão-alvo
específico - exposição única/SNC - H336, toxicidade sistêmica de órgão-alvo
específico - exposição repetida/ inalação e Sistema Nervoso - H373, perigo por
aspiração - H304 e perigoso ao ambiente aquático – Crônico - H411), benzeno
(líquido inflamável - H225, irritação da pele - H315, irritação ocular - H319,
mutagenicidade em células germinativas - H340, Carcinogenicidade - H350,
toxicidade sistêmica de órgão-alvo específico - exposição repetida/sangue -
H372, perigo por aspiração - H304 e perigoso ao ambiente aquático – Crônico -
H412), éter de petróleo (líquido inflamável - H225, irritação da pele - H315,
toxicidade à reprodução - H361f, toxicidade sistêmica de órgão-alvo
específico - exposição única/SNC - H336, toxicidade sistêmica de órgão-alvo
específico - exposição repetida - H373, perigo por aspiração - H304 e perigoso
ao ambiente aquático – Crônico - H411), e clorofórmio (toxicidade aguda/oral -
H302, toxicidade aguda/inalação - H331, irritação da pele - H315, irritação
ocular - H319, carcinogenicidade - H351, toxicidade à reprodução - H361d e
toxicidade sistêmica de órgão-alvo específico - exposição repetida/fígado e
rim - H372). Os solventes relacionados acima normalmente são empregados na
purificação da cafeína e todos os códigos de riscos elencados foram obtidos
nas FISPQ (Fichas de Informações de Segurança de Produtos Químicos).
Pavia (2009); Alves (2018); Brenelli (2003) e Oliveira et al., (2013)
apresentam diferentes técnicas para extração de cafeína como atividade
experimental de ensino em cursos superiores, entretanto, não se percebe nestas
a intenção clara para minimizar os impactos causados pelos experimentos
visando a sustentabilidade ou até mesmo a redução de riscos. Neste sentido, a
análise deste protocolo possibilitou sugerir melhorias experimentais, atitudes
mais verdes, conscientes e viáveis para seu emprego em aulas experimentais de
Química.
A figura 1 mostra a Estrela Verde da extração da cafeína do chá preto, comumente realizada em cursos de Licenciatura em Química.
Conclusões
Considera-se importante destacar que a Estrela Verde (EV) do método de extração da cafeína apresentado neste artigo, permitiu avaliar profundamente a técnica em estudo, dando uma visão mais detalhada sobre os riscos que o experimento pode trazer, permitindo verificar pontos de melhora, tais como a redução do volume de DCM em cada etapa de extração de 25 mL para 15 mL e a purificação do extrato final por sublimação, método considerado mais verde, quando comparado as purificações que empregam solventes orgânicos. Este trabalho mostra a importância da análise prévia de procedimentos experimentais norteada nos princípios da QV, que deve ser realizada conjuntamente por professores e alunos, de maneira sistematizada e colaborativa, de tal forma que promova reflexões e discussões acerca da verdura experimental, atitudes que permitem repensar as ações práticas, contribuindo com a conscientização do aluno em relação aos possíveis impactos socioambientais, contribuindo assim com uma formação mais responsável e comprometida com a ética profissional. Essas atitudes vão ao encontro do pensamento de Sánchez (2012), o qual afirma que é necessário visualizar, observar, estudar e interpretar todas as diferentes perspectivas da ciência em relação ao ambiente e sua preservação, a fim de conhecê-las na íntegra e não na sua tendência, a fim de poder oferecer soluções alternativas e avançar na construção do desenvolvimento sustentável. Alcançar o desenvolvimento através do ensino e da prática da ciência requer abordagens, metodologias e interpretações que nos permitam criar e acessar o conhecimento integrado e envolver necessariamente a prática e o ensino dos pensamentos.
Agradecimentos
Instituto Federal do Paraná, Campus Palmas Assistência Estudantil do IFPR PIBIS/FA (Programa de Bolsa de inclusão Social/Fundação Araucária)
Referências
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