tese leila.pdf

Universidade Federal de So Carlos

Centro de Cincias Exatas e de Tecnologia

Departamento de Qumica

Programa de Ps-Graduao em Qumica

Utilizao de Mtodos Quimiomtricos Aliados

a RMN na Caracterizao dos Diferentes Tipos

de Cafs Comerciais

LEILA ALEY TAVARES *

Tese apresentada como parte dos requisitos

para a obteno do ttulo de DOUTOR EM

CINCIAS, rea de concentrao: QUMICA.

Orientador: Prof. Dr. Antonio Gilberto Ferreira

* Bolsista CAPES

So Carlos - SP

2007

Ficha catalogrfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitria/UFSCar

T231um

Tavares, Leila Aley. Utilizao de mtodos quimiomtricos aliados a RMN na caracterizao dos diferentes tipos de cafs comerciais / Leila Aley Tavares. -- So Carlos : UFSCar, 2008. 169 f. Tese (Doutorado) -- Universidade Federal de So Carlos, 2007. 1. Qumica. 2. Ressonncia magntica nuclear. 3. quimiometria. 4. Caf. 5. Controle de qualidade. I. Ttulo. CDD: 540 (20a)

Dedico esse trabalho...

... minha famlia pelo incentivo minha formao e por propiciarem a minha busca pelo crescimento profissional.

Agradeo

Principalmente a Deus, pela vida e por me dar foras para superar cada obstculo.

Ao professor Dr. Antonio Gilberto Ferreira, pelos ensinamentos transmitidos e pela

orientao deste trabalho.

Aos amigos do laboratrio de RMN: Elisangela, Glaucia, Katyscya, Vladimir,

Luciano, Angela, Maiara, Lucinia, Cristina, Anderson, Mrio, Luciana e Paulo, pela

convivncia e companheirismo durante esse perodo.

professora Dra. Mrcia M. Ferreira do Instituto de Qumica da Universidade

Estadual de Campinas (UNICAMP) pelos ensinamentos quimiomtricos, emprstimo do

software e fornecimento de amostras.

Ao Dr. Luis Henrique Mattoso da Embrapa Instrumentao de So Carlos-SP e

Dra. Alessandra Corra pela parceria e fornecimento de amostras.

Ednia Almeida da COCAPEC - Cooperativa dos cafeicultores e agropecuaristas

de Franca-SP, pela prestatividade e fornecimento de amostras.

Andra Pires Fernandes do grupo de anlise instrumental aplicada, DQ-UFSCar

pela amizade e parceria.

Aos professores do Departamento de Qumica da UFSCar pelos ensinamentos

transmitidos.

A toda a minha famlia que sempre incentivou o meu crescimento pessoal e

profissional, em especial minha me e minha irm Neusa que mesmo distantes sempre

estiveram presentes nos momentos difceis dando todo o apoio que sempre precisei.

A todos aqueles que contriburam de alguma forma para a realizao desse trabalho.

E CAPES, pelo auxlio financeiro atravs da bolsa concedida.

vi

LISTA DE ABREVIATURAS

AQ Tempo de aquisio (Acquisition Time) B0 Campo magntico esttico de um espectrmetro COSY COrrelation SpectroscopY CPMG Seqncia Car-Purcell-Meiboom-Gill d Dupleto dd Duplo dupleto F1 Eixo vertical no espectro bidimensional F2 Eixo horizontal no espectro bidimensional FID Decaimento livre de induo (Free Induction Decay) gHMBC gradient - Heteronuclear Multiple Bonds Correlations gHSQC gradient - Heteronuclear Single Quantum Coherence HCA Hierarchical Cluster Analysis HR-MAS High Resolution Magic Angle Spinning ICP-OES Espectrometria de emisso ptica com plasma acoplado

indutivamente (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry)

KNN K- Nearest Neighbor LB Funo matemtica empregada no aumento da relao

sinal/rudo (Line Broadening) NS Nmero de aquisies (Number of Scans) P1 Pulso de 900 com alta potncia aplicado no canal f1 PCA Principal Components Analysis PCR Principal Components Regression PL9 Potncia utilizada na supresso do sinal selecionado PLS Partial Least Square PRESS Predicted Residual Error Sum of Squares QSINE Multiplicao matemtica utilizando a funo seno2 r Coeficiente de regresso rf Radiofreqncia RG Ganho do receptor (Receiver Gain) RMN de 1H Ressonncia Magntica Nuclear de hidrognio SEV Standard Error of Validation SI Nmero de pontos utilizados no processamento do espectro SIMCA Soft Independent Modeling of Class Analogy SSB1 Parmetro envolvido na multiplicao matemtica seno e seno2

ao longo de F1

vii

SSB2 Parmetro envolvido na multiplicao matemtica seno e seno2 ao longo de F2

SW Janela espectral (Spectral Width) t Tripleto T1 Tempo de relaxao longitudinal (spin-rede) T2 Tempo de relaxao transversal (spin-spin) TD Nmero de pontos utilizados na aquisio do espectro 1D (Time

Domain) TD1 Nmero de experimentos ao longo de F1 no espectro de 2D TD2 Nmero de pontos utilizados na aquisio ao longo de F2 no

espectro de 2D TMSP TriMetilSililPropionato de sdio 2,2,3,3-d4 13C Deslocamento qumico de carbono treze 1H Deslocamento qumico de hidrognio 2D Bidimensional

viii

LISTA DE TABELAS

TABELA 1.2.1: Composio qumica do gro de caf cru.....................................................4 TABELA 1.2.5.1: Descrio das categorias de classificao oficialmente utilizadas na prova

de xcara dos cafs.....................................................................................12 TABELA 2.2.1.1: Amostras de misturas de cafs contendo diferentes percentagens das

espcies arbica e robusta e analisadas em equipamentos de RMN de diferentes campos magnticos..................................................................26

TABELA 2.3.1.1: Resduo entre as classes arbica (2) e robusta (1), para os dados de cafs crus obtidos em equipamento de 9,4T........................................................38

TABELA 2.3.1.2: Distncia entre as classes arbica (2) e robusta (1), para os dados de cafs crus obtidos em equipamento de 9,4T..............................................38

TABELA 2.3.1.3: Previso de classe para as amostras teste a partir dos mtodos de classificao KNN e SIMCA aplicados aos dados de cafs crus obtidos em equipamento de 9,4T.................................................................................40

TABELA 2.3.1.4: Previso de classe para amostras desconhecidas a partir do mtodo KNN aplicados aos dados de cafs crus obtidos em equipamento de 9,4T......41

TABELA 2.3.1.5: Previso do teor de caf da espcie arbica nas misturas a partir dos modelos de calibrao PLS e PCR aplicados aos dados de cafs crus obtidos em equipamento de 9,4T...............................................................44

TABELA 2.3.1.6: Previso do teor de caf arbica em amostras desconhecidas a partir dos modelos PLS e PCR aplicados aos dados de cafs crus obtidos em equipamento de 9,4T................................................................................ 45

TABELA 2.3.2.1: Resduo entre as classes arbica (2) e robusta (1), para os dados de cafs crus obtidos em equipamento de 4,7T........................................................50

TABELA 2.3.2.2: Distncia entre as classes arbica (2) e robusta (1), para os dados de cafs crus obtidos em equipamento de 4,7T..............................................50

TABELA 2.3.2.3: Previso de classe obtido para amostras teste a partir dos mtodos de classificao KNN e SIMCA aplicados aos dados de cafs crus obtidos em equipamento de 4,7T.................................................................................51

TABELA 2.3.2.4: Previso do teor de caf da espcie arbica em amostras teste feita pelos modelos de calibrao PLS e PCR aplicados aos dados de cafs crus obtidos em equipamento de 4,7T...............................................................52

TABELA 2.3.3.1: Resduo entre as classes arbica (2) e robusta (1), para os dados de cafs torrados.......................................................................................................56

TABELA 2.3.3.2: Distncia entre as classes arbica (2) e robusta (1), para os dados de cafs torrados ............................................................................................56

ix

TABELA 2.3.3.3: Previso de classe obtido para amostras teste a partir dos mtodos de classificao KNN e SIMCA aplicados aos dados de caf torrado.............56

TABELA 2.3.3.4: Previso do teor de caf torrado da espcie arbica em amostras teste feita pelos modelos de calibrao PLS e PCR. .........................................57

TABELA 3.2.1.1: Composies das misturas de caf/cevada utilizadas nas anlises via RMN e Infravermelho.................................................................................57

TABELA 3.3.1.1: Previso de classe obtido para as amostras de caf/cevada a partir do mtodo de classificao KNN, aplicado aos dados de RMN de 1H...........63

TABELA 3.3.1.2: Previso do teor de caf em misturas caf/cevada feita pelos mtodos PLS e PCR, aplicados aos dados de RMN de 1H......................................72

TABELA 3.3.2.1: Previso do teor de caf em misturas de caf/cevada feita pelos mtodos de calibrao PLS e PCR aplicados aos dados de infravermelho.............78

TABELA 4.2.1.1: Intervalo de tempo e temperatura utilizados na torrefao das amostras analisadas..................................................................................................83

TABELA 5.3.1.1.1.1: Atribuio dos sinais de RMN encontrados para a molcula de sacarose...................................................................................................101

TABELA 6.2.1.1: Modo de cultivo das amostras estudadas.................................................109 TABELA 6.2.1.2: Programa de aquecimento em forno de microondas Multiwave (Anton

Paar) com recipientes fechados, programa para 6 amostras..................110 TABELA 6.2.1.3: Concentraes das solues de referncia..............................................111 TABELA 6.2.2.1: Parmetros operacionais para determinao dos constituintes inorgnicos

em condies robustas............................................................................112 TABELA 6.3.1.1: Previso de classe obtido para as amostras teste a partir do mtodo de

classificao KNN aplicado aos dados de RMN de 1H obtidos para cafs produzidos convencionalmente e organicamente....................................121

TABELA 7.3.1.1: Previso de classe para as amostras teste a partir do mtodo KNN, aplicado aos dados dos cafs crus (na forma de bebida) com diferentes qualidades na prova de xcara.................................................................139

TABELA 7.3.3.1.1: Composio (%) dos cidos graxos presentes nos gros de caf cru....152 TABELA 7.3.3.1.2: Atribuio dos sinais de RMN para os steres de cidos graxos de gros

de caf cru................................................................................................157

x

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.2.1.1: Estrutura dos cidos clorognicos (1)......................................................6 FIGURA 1.2.1.2: Estrutura da trigonelina (2) e sacarose (3)...............................................6 FIGURA 1.3.1: Esquema ilustrativo do giro do rotor no ngulo mgico.........................17 FIGURA 2.3.1.1: Espectros de RMN de 1H de caf cru das espcies arbica (A), 70%

arbica + 30% robusta (B), 30% arbica + 70% robusta (C) e robusta (D), obtidos em um equipamento de 9,4T .............................................30

FIGURA 2.3.1.2: Regio de 6,1 9,3 ppm dos espectros de RMN de 1H de caf cru das espcies arbica (A) e robusta (B), obtidos em um equipamento de 9,4T ...............................................................................................................32

FIGURA 2.3.1.3: Regio de 6,0 - 9,0 ppm do espectro de RMN de 1H antes (A) e aps (B) aplicao da primeira derivada..............................................................34

FIGURA 2.3.1.4: Grfico da varincia acumulada versus o nmero de componentes principais................................................................................................34

FIGURA 2.3.1.5: Grfico de scores de PC1 x PC2 das misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta, cujos espectros de RMN de 1H foram obtidos em equipamento de 9,4T..........................................................35

FIGURA 2.3.1.6: Grfico de loadings mostrando a complexidade da anlise da influncia das variveis em PC1, aps o autoescalamento dos dados..................36

FIGURA 2.3.1.7: Dendrograma obtido do HCA das misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta, cujos espectros de RMN de 1H foram obtidos em equipamento de 9,4T.............................................................................37

FIGURA 2.3.1.8: Previso de classe obtida pelo modelo SIMCA (amostras em vermelho prximas classe 1, amostras em azul prximas classe 2)...............40

FIGURA 2.3.1.9: Teores de caf arbica medidos versus teores estimados na validao cruzada, para o modelo PLS..................................................................42

FIGURA 2.3.1.10: Teores de caf arbica medidos versus teores estimados na validao cruzada, para o modelo PCR.................................................................43

FIGURA 2.3.2.1: Regio de 6,0 9,4 ppm dos espectros de RMN de 1H das espcies de caf arbica (A) e robusta (B), adquiridos em um equipamento de 4,7T ...............................................................................................................46

FIGURA 2.3.2.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 das misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta, analisadas num equipamento de 4,7T........................................................................................................47

FIGURA 2.3.2.3: Dendrograma obtido do HCA a partir das misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta, analisadas num equipamento de

xi

4,7T........................................................................................................48 FIGURA 2.3.2.4: Ampliao da parte superior do dendrograma obtido do HCA a partir das

misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta, analisadas num equipamento de 4,7T.............................................................................49

FIGURA 2.3.2.5: Ampliao da parte inferior do dendrograma obtido do HCA a partir das misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta, analisadas num equipamento de 4,7T.............................................................................49

FIGURA 2.3.2.6: Grfico do Kth vizinho mais prximo versus o nmero de erros cometidos na previso das amostras de treinamento para o conjunto de dados de RMN de 1H obtidos em equipamento de 4,7T para amostras de cafs crus das espcies arbica e robusta.......................................51

FIGURA 2.3.3.1: Regio de 6,0 9,4 ppm do espectro de RMN de 1H de cafs torrados das espcies arbica (A) e robusta (B) adquiridos em um equipamento de 9,4T...................................................................................................53

FIGURA 2.3.3.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 das misturas de cafs torrados arbica e robusta, cujos espectros de RMN de 1H foram obtidos em equipamento de 9,4T.............................................................................54

FIGURA 2.3.3.3: Dendrograma obtido do HCA das misturas de cafs torrados das espcies arbica e robusta, para os espectros de RMN de 1H adquiridos num equipamento de 9,4T.....................................................................55

FIGURA 3.3.1.1: Espectros de RMN de 1H de caf (A), 70% caf + 30% cevada (B), 30% caf + 70% cevada (C) e cevada (D), mostrando em cinza as regies excludas das anlises quimiomtricas..................................................66

FIGURA 3.3.1.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos dados obtidos via RMN de 1H para as amostras de caf/cevada..................................................................67

FIGURA 3.3.1.3: Grfico do K-simo vizinho mais prximo versus o nmero de erros de previso para as amostras de treinamento, obtido pelo modelo KNN aplicado aos dados de RMN para amostras de caf/cevada.................68

FIGURA 3.3.1.4: Teores de caf medidos versus teores estimados para amostras de caf/cevada, obtidos pelo modelo PLS aplicado aos dados de RMN ...............................................................................................................70

FIGURA 3.3.1.5: Teores de caf medidos versus teores estimados para amostras de caf/cevada, obtidos pelo modelo PCR aplicado aos dados de RMN.......................................................................................................71

FIGURA 3.3.2.1: Espectros na regio do infravermelho para amostras de caf (A) e cevada (B), mostrando em cinza as regies excludas das anlises quimiomtricas.......................................................................................73

xii

FIGURA 3.3.2.2: Grfico de linhas mostrando o aumento da intensidade das absores de estiramentos dos grupos etlicos com o aumento do teor de caf....74

FIGURA 3.3.2.3: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos dados obtidos via infravermelho para as amostras de caf/cevada..........................................................75

FIGURA 3.3.2.4: Teores de caf medidos versus teores estimados para amostras de caf/cevada, obtidos pelo modelo PLS aplicado aos dados de infravermelho.........................................................................................76

FIGURA 3.3.2.5: Teores de caf medidos versus teores estimados para amostras de caf/cevada, obtidos pelo modelo PCR aplicado aos dados de infravermelho..........................................................................................77

FIGURA 3.3.2.6: Espectro na regio do infravermelho da amostra de caf comercial caRen.....................................................................................................79

FIGURA 3.3.2.7: Espectro de RMN de 1H da amostra de caf comercial caRen..............79 FIGURA 4.3.1: Regio de 6,2 a 9,2 ppm dos espectros de RMN de 1H dos cafs

torrados a 215 OC e durante 10,0 min (A), 17,5 min (B) e 25,0 min (C)..........................................................................................................86

FIGURA 4.3.2: Regio de 6,2 a 9,2 ppm dos espectros de RMN de 1H dos cafs torrados a 17,5 min e nas temperaturas de 200OC (A), 215 OC (B) e 230 OC (C).....................................................................................................86

FIGURA 4.3.3: Regio de 0,1 a 4,5 ppm dos espectros de RMN de 1H dos cafs torrados a 215 OC e durante 10,0 min (A), 17,5 min (B) e 25,0 min (C)..........................................................................................................88

FIGURA 4.3.4: Grfico de scores dos cafs torrados em diferentes condies de tempo e temperatura.........................................................................................89

FIGURA 5.3.1.1: Espectros de RMN de 1H de cafs crus sem defeito (A) e com defeitos do tipo ardido (B), verde (C) e preto (D)................................................95

FIGURA 5.3.1.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos dados de RMN de 1H dos cafs crus sem defeitos e com os defeitos do tipo preto, verde e ardido........96

FIGURA 5.3.1.3: Dendograma dos dados de RMN de 1H dos cafs crus sem defeitos e com os defeitos do tipo preto, verde e ardido........................................97

FIGURA 5.3.1.1.1.1: Espectro de RMN de 1H do caf (A), do caf acrescido de sacarose (B) e da sacarose (C)...................................................................................98

FIGURA 5.3.1.1.1.2: Espectro de RMN de gCOSY da extrao aquosa do caf cru, evidenciando as correlaes observadas para a sacarose...................99

FIGURA 5.3.1.1.1.3: Espectro de RMN de gHSQC da extrao aquosa do caf cru, evidenciando as correlaes observadas para a sacarose.................100

FIGURA 5.3.1.1.1.4: Espectro de RMN de gHMBC da extrao aquosa do caf cru,

xiii

evidenciando as correlaes observadas para a sacarose.................100 FIGURA 5.3.1.1.2.1: Espectro de RMN de gHSQC (A) e gHMBC (B) da extrao aquosa do

caf cru, evidenciando as correlaes observadas para a alanina e o cido actico........................................................................................102

FIGURA 5.3.2.1: Espectros de RMN de 1H de cafs torrados sem defeito (A) e com defeitos do tipo ardido (B), verde (C) e preto (D) ................................103

FIGURA 5.3.2.2: Grfico de scores dos dados de RMN de 1H dos cafs torrados sem e com os defeitos do tipo preto, verde e ardido......................................104

FIGURA 5.3.2.3: Dendograma dos dados de RMN de 1H dos cafs torrados sem e com os defeitos do tipo preto, verde e ardido..............................................105

FIGURA 6.3.1.1: Espectros de RMN de 1H dos cafs crus cultivados do modo orgnico (A) e convencional (B)..........................................................................113

FIGURA 6.3.1.2: Ampliao da regio de 2,30 a 3,00 ppm (A) e da regio de 1,80 a 2,20 ppm (B) do grfico de linhas contendo todos os espectros e mostrando as diferenas entre os cafs orgnicos e convencionais ....................114

FIGURA 6.3.1.3: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos dados de RMN de 1H dos cafs crus produzidos convencionalmente e organicamente........................115

FIGURA 6.3.1.4: Grfico de scores de PC1 x PC3 dos dados de RMN de 1H dos cafs crus produzidos convencionalmente e organicamente .......................115

FIGURA 6.3.1.5: Regio do grfico de linhas caracterstica do modo de produo, mostrando as semelhanas entre as amostras dos cafs crus orgnico BourO e convencional BourC ...............................................................116

FIGURA 6.3.1.6: Dendrograma obtido a partir dos dados de RMN de 1H dos cafs crus produzidos do modo orgnico e convencional.....................................117

FIGURA 5.3.1.7: Ampliao do ramo A do dendrograma, mostrando os cafs orgnicos .............................................................................................................117

FIGURA 6.3.1.8: Ampliao do ramo B do dendrograma, mostrando cafs orgnicos e convencionais.......................................................................................118

FIGURA 6.3.1.9: Ampliao do ramo C do dendrograma, mostrando cafs convencionais .............................................................................................................118

FIGURA 6.3.1.10: Ampliao do ramo D do dendrograma, mostrando cafs convencionais .............................................................................................................119

FIGURA 6.3.1.11: Ampliao do ramo E do dendrograma, mostrando caf convencional .............................................................................................................119

FIGURA 6.3.1.12: Regio espectral do grfico de linhas evidenciando pequenas diferenas entre a amostra convencional SPrat e as demais de mesmo modo de produo .............................................................................................120

xiv

FIGURA 6.3.1.13: Grfico dos erros de previso para as amostras do conjunto de treinamento do modelo KNN, aplicado aos dados de RMN de 1H obtidos para cafs produzidos convencionalmente e organicamente..............120

FIGURA 6.3.2.1: Grfico de linhas correspondente s concentraes dos constituintes inorgnicos determinados por ICP OES em amostras de caf cru produzidos convencionalmente e organicamente................................122

FIGURA 6.3.2.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos dados de ICP OES dos cafs crus produzidos convencionalmente e organicamente...............................123

FIGURA 6.3.2.3: Grfico de loadings de PC1 x PC2 mostrando a influncia das variveis para a discriminao entre os modos de produo.............................123

FIGURA 6.3.2.4: Dendrograma mostrando a discriminao entre os cafs crus produzidos do modo orgnico e convencional, para o conjunto de dados de ICP OES..........................................................................................124

FIGURA 6.3.2.5: Expanso superior do dendrograma, mostrando o grupo para cafs produzidos convencionalmente ...........................................................124

FIGURA 6.3.2.6: Expanso inferior do dendrograma, mostrando o grupo para cafs produzidos organicamente ..................................................................125

FIGURA 6.3.2.7: Grfico dos erros de previso para as amostras do conjunto de treinamento do modelo KNN, aplicado aos dados de ICP OES obtidos para cafs produzidos convencionalmente e organicamente..............126

FIGURA 7.3.1.1: Espectros de RMN de 1H dos cafs crus dos tipos mole (A), duro (B) e rio (C) ..................................................................................................133

FIGURA 7.3.1.2: Grfico de linhas mostrando as diferenas espectrais nas regies dos acares (A) e dos steres de cidos graxos (B) para os cafs com diferentes qualidades: mole, duro e rio................................................134

FIGURA 7.3.1.3: Grfico de linhas da regio de acares, mostrando a similaridade entre os sinais apresentados pelas amostras de caf mole Le3 e rio c1......135

FIGURA 7.3.1.4: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos cafs crus que apresentam diferentes qualidades na prova de xcara: mole, duro e rio.................136

FIGURA 7.3.1.5: Dendrograma obtido para os cafs crus que apresentam diferentes qualidades na prova de xcara: mole, duro e rio..................................137

FIGURA 7.3.1.6: Ampliao da parte superior do dendrograma mostrando a discriminao de dois grupos, um para cafs do tipo duro e outro para cafs do tipo rio....................................................................................137

FIGURA 7.3.1.7: Ampliao da parte inferior do dendrograma mostrando um terceiro grupo de caf onde no houve discriminao e que contm todos os tipos analisados....................................................................................138

xv

FIGURA 7.3.1.8: Grfico dos erros de previso para as amostras do conjunto de treinamento do mtodo KNN, aplicado aos dados obtidos por RMN de 1H para cafs crus com diferentes qualidades na prova de xcara .....139

FIGURA 7.3.2.1: Espectros de RMN de 1H de cafs torrados dos tipos mole (A) e duro (B) .............................................................................................................140

FIGURA 7.3.2.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos cafs torrados dos tipos mole e duro......................................................................................................141

FIGURA 7.3.2.3: Dendrograma obtido para os cafs torrados que apresentam classificao mole e duro na prova de xcara......................................142

FIGURA 7.3.2.4: Ampliao da parte superior do dendrograma mostrando que no houve discriminao entre os cafs do tipo mole e duro................................142

FIGURA 7.3.2.5: Ampliao da parte inferior do dendrograma mostrando que no houve discriminao entre os cafs do tipo mole e duro................................143

FIGURA 7.3.3.1: Espectros de RMN de 1H de caf cru adquiridos na sonda HR-MAS utilizando-se as seqncias de pulsos CPMG (A) e zgcppr (B)...........145

FIGURA 7.3.3.2: Grfico de scores de PC1 x PC2 de alguns cafs crus dos tipos mole e duro cujos espectros de 1H HR-MAS foram obtidos a partir da seqncia de pulsos CPMG..................................................................................146

FIGURA 7.3.3.3: Grfico de scores de PC1 x PC2 de alguns cafs crus dos tipos mole e duro cujos espectros de 1H HR-MAS foram obtidos a partir da seqncia de pulsos zgcppr..................................................................................146

FIGURA 7.3.3.4: Grfico de scores de PC1 x PC2 dos cafs crus que apresentam diferentes qualidades na prova de xcara: mole, duro e rio. Dados de HR-MAS...............................................................................................148

FIGURA 7.3.3.5: Dendrograma obtido para os cafs crus que apresentam diferentes qualidades na prova de xcara: mole, duro e rio. Dados de HR-MAS......................................................................................................149

FIGURA 7.3.3.6: Ampliao da parte superior do dendrograma mostrando a formao de um grupo para os cafs do tipo duro....................................................149

FIGURA 7.3.3.7: Ampliao da parte inferior do dendrograma mostrando a formao de um grupo para os cafs do tipo mole e outro para os do tipo rio.........150

FIGURA 7.3.3.8: Grfico dos erros de previso para as amostras do conjunto de treinamento do modelo KNN, aplicado aos dados obtidos por RMN de 1H HR-MAS para cafs com diferentes qualidades na prova de xcara .............................................................................................................150

FIGURA 7.3.3.1.1: Estruturas dos cidos graxos saturados, oleico, linoleico e linolnico e da unidade de glicerol .........................................................................151

xvi

FIGURA 7.3.3.1.2: Espectro de RMN de 1H HR-MAS obtido diretamente de gros de caf cru........................................................................................................152

FIGURA 7.3.3.1.3: Espectro de RMN de gCOSY HR-MAS de gros de caf cru..............154 FIGURA 7.3.3.1.4: Expanso das regies de 0,7 2,9 e 3,4 5,7 ppm do espectro de RMN

de gHSQC HR-MAS de gros de caf cru...........................................156 FIGURA 7.3.3.1.5: Espectro de RMN de gHMBC HR-MAS de gros de caf cru.............156 FIGURA 7.3.3.1.6: Expanso da regio de 0,8 2,9 ppm do espectro de RMN de gHMBC

HR-MAS de gros de caf cru.............................................................157

xvii

RESUMO

UTILIZAO DE MTODOS QUIMIOMTRICOS ALIADOS A RMN NA CARACTERIZAO DOS DIFERENTES TIPOS DE CAFS COMERCIAIS. O caf um importante produto do agronegcio brasileiro. Entretanto, a avaliao comercial da sua qualidade feita por mtodos subjetivos, tornando-se necessrio o desenvolvimento de metodologias que sejam capazes de atuar no controle de qualidade e ao mesmo tempo fornecer informaes a respeito das diferenas na composio qumica dos cafs com diferentes caractersticas. O presente trabalho descreve a aplicao de mtodos de anlise multivariada, principalmente, em dados de RMN de 1H com o objetivo de verificar as diferenas qumicas relacionadas a certos atributos determinantes da qualidade do caf.

Nesse trabalho, foram estudados a espcie utilizada na preparao da bebida, gros de caf defeituosos, a adulterao com cevada, o efeito da temperatura e do tempo na composio dos cafs torrados, a classificao sensorial da bebida e o modo de produo. No primeiro estudo, determinou-se as principais diferenas na composio qumica das duas espcies de maior importncia comercial, arbica e robusta, discriminando-as e determinando o teor delas em diferentes misturas. Em estudo semelhante, discriminou-se misturas de caf contendo diferentes teores de cevada, alm de determinar o teor adicionado ao caf. Nesse caso, em comparao com a RMN, a espectroscopia de infravermelho mostrou eficincia similar para o mesmo propsito. No estudo dos cafs com defeitos, verificou-se uma maior alterao na composio qumica dos gros com defeitos do tipo preto em relao ao caf de boa qualidade, alm da discriminao entre todos os tipos analisados; verdes, ardidos e pretos. Quanto ao modo de produo, cafs produzidos convencionalmente e organicamente foram discriminados entre si, sendo o maior teor de cido actico nos cafs orgnicos a principal diferena apontada nas amostras estudadas. Quanto classificao sensorial, foi possvel construir modelos quimiomtricos capazes de atribuir corretamente a qualidade de amostras com diferentes classificaes na prova de xcara. Dentre os compostos responsveis por essa classificao esto os lipdeos, os quais foram identificados com a utilizao da tcnica HR-MAS. Com relao ao grau de torra, alm de verificar uma maior influncia da temperatura na alterao da composio do caf torrado, foi possvel discriminar amostras torradas em diversas condies de tempo e temperatura.

xviii

ABSTRACT

THE USE OF CHEMOMETRIC METHODS AND NMR IN THE CHARACTERIZATION OF DIFFERENT TYPES OF COMMERCIAL COFFEES. Coffee is an important product of Brazilian agribusiness. Nevertheless, the commercial evaluation of its quality is based upon subjective methods and this requires the methodologies development that provides information on differences of coffee chemical composition of different traits. The current work describes the application of multivariate analysis methods, mainly in NMR data, in order to verify chemical differences related to certain attributes that determine the coffee quality. In this work, the specie used in the brew preparation, defective coffee beans, adulteration with barley, the effect of temperature and time on the roasted coffee composition, cup quality and production mode were studied. In the first study, it was determined the main differences between the composition of arabica and robusta coffee discriminating both species and was determined the content of each one in blends. In similar study, were discriminated blends of coffee and barley and was determined the percentage of this adulterant added to the coffee. In this case, comparing to NMR, the infrared spectroscopy also shows great efficiency for the same purpose. In the study of defective coffee beans were verified greater changes in the chemical composition of black beans compared to the non-defective coffee besides the discrimination of all kinds of defective beans analyzed; green, sour, and black. Considering the production mode, were discriminated coffees produced conventionally and organically. The higher acetic acid content in the organic samples was determinant to this discrimination. Considering the cup quality, efficient chemometric models were obtained to classify the samples with different qualities - soft, hard, and rio. The lipid compounds were important to this classification and were identified by using HR-MAS technique. In the study of roast degree it was verified greater influence of the temperature in the chemical composition changes from roasted coffees and it was possible to discriminate samples that were submitted to several conditions of time and temperature during roast process.

xix

SUMRIO

CAPTULO 1: INTRODUO...................................................................................................2 1.1 - A importncia do caf na economia brasileira......................................................2 1.2 - Avaliao da qualidade do caf............................................................................3

1.2.1 - Espcie de caf......................................................................................4 1.2.2 - Presena de gros com defeitos do tipo verdes, ardidos e pretos.........7 1.2.3 - Adulterao de caf com substituintes mais baratos.............................9 1.2.4 - Efeito do grau de torra na composio qumica do caf........................9 1.2.5 - Classificao sensorial da bebida........................................................11 1.2.6 - Modo de cultivo: orgnico e convencional...........................................13

1.3 - Ressonncia magntica nuclear.........................................................................14 1.4. - Mtodos quimiomtricos....................................................................................18

1.4.1 - Mtodos no supervisionados.............................................................18 1.4.2 - Mtodos supervisionados....................................................................20 1.2.3 - Mtodos de calibrao.........................................................................21

CAPTULO 2: MISTURAS DE CAFS DAS ESPCIES. Coffea arabica L. e Coffea canephora P............................................................................................................................24

2.1 - OBJETIVOS........................................................................................................25 2.2 - MATERIAIS E MTODOS .................................................................................26

1.2.1 - Amostras..............................................................................................26 1.2.2 - Medidas espectroscpicas...................................................................27 1.2.3 - Anlise quimiomtrica..........................................................................28

2.3. - RESULTADOS E DISCUSSO.........................................................................29 2.3.1 - Estudo das misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta

utilizando-se espectros de RMN de 1H obtidos em um equipamento de 9,4T .....................................................................................................29

2.3.2 - Estudo de misturas de cafs crus das espcies arbica e robusta utilizando espectros de RMN de 1H obtidos em um equipamento de 4,7T......................................................................................................45

2.3.3 - Estudo de misturas de cafs torrados das espcies arbica e robusta utilizando-se espectros de RMN de 1H obtidos em um equipamento de 9,4T......................................................................................................53

2.4 CONCLUSES..................................................................................................59

xx

CAPTULO 3: ADULTERAO DE CAF PELA ADIO DE CEVADA..............................60 3.1 OBJETIVOS.......................................................................................................61 3.2 MATERIAIS E MTODOS.................................................................................62

3.2.1 Amostras.............................................................................................62 3.2.2 - Medidas espectroscpicas...................................................................63 3.2.3 - Anlise quimiomtrica..........................................................................64

3.3 RESULTADOS E DISCUSSO.........................................................................65 3.3.1 Anlise do conjunto de dados obtidos por RMN de 1H.......................65 3.3.2 - Anlise do conjunto de dados obtidos por infravermelho....................72

3.4 CONCLUSES.................................................................................................80

CAPTULO 4: EFEITOS DO TEMPO E DA TEMPERATURA NA COMPOSIO QUMICA DO CAF TORRADO.............................................................................................................81

4.1 OBJETIVOS.......................................................................................................82 4.2 MATERIAIS E MTODOS.................................................................................83

4.2.1 Amostras.............................................................................................83 4.2. 2 - Medidas espectroscpicas..................................................................84 4.2.3 - Anlise quimiomtrica..........................................................................84

4.3 RESULTADOS E DISCUSSO.........................................................................85 4.4 CONCLUSES..................................................................................................90

CAPTULO 5: CAFS COM DEFEITOS: PRETOS, VERDES E ARDIDOS........................91 5.1 - OBJETIVOS........................................................................................................92 5.2 MATERIAIS E MTODOS.................................................................................93

5.2.1 - Amostras .............................................................................................93 5.2. 2 - Medidas espectroscpicas .................................................................93 5.2.3 - Anlise quimiomtrica..........................................................................93

5.3 - RESULTADOS E DISCUSSO .........................................................................94 5.3.1 Anlise de caf cru com defeitos - pretos, verdes e ardidos...............94

5.3.1.1 - Identificao de alguns compostos importantes na discriminao dos cafs crus com defeitos - pretos, verdes e ardidos............................................................................98

5.3.1.1.1- Sacarose.............................................................................98 5.3.1.1.2 - Alanina e cido actico.....................................................101

5.3.2 - Anlise de cafs torrados com defeitos - pretos, verdes e ardidos ...102 5.4 CONCLUSES................................................................................................106

xxi

CAPTULO 6: CAFS PRODUZIDOS CONVENCIONAL E ORGANICAMENTE................107 6.1 OBJETIVOS.....................................................................................................108 6.2 MATERIAIS E MTODOS...............................................................................109

6.2.1 Amostras...........................................................................................109 6.2.2 - Medidas experimentais......................................................................111 6.2.3 - Anlise quimiomtrica........................................................................112

6.3 RESULTADOS E DISCUSSO.......................................................................113 6.3.1 Anlise dos dados de cafs de diferentes modos de produo obtidos

por RMN.............................................................................................113 6.3.2 Anlise dos dados de cafs de diferentes modos de produo obtidos

por ICP OES......................................................................................121 6.4 CONCLUSES................................................................................................127

CAPTULO 7: CAFS APRESENTANDO DIFERENTES CLASSIFICAES NA PROVA DE XCARA: MOLE, DURO E RIO.............................................................................................128

7.1 OBJETIVOS.....................................................................................................129 7.2 MATERIAIS E MTODOS...............................................................................130

7.2.1 Amostras...........................................................................................130 7.2.2 - Medidas espectroscpicas.................................................................130 7.2.3 - Anlise quimiomtrica........................................................................132

7.3 RESULTADOS E DISCUSSO.......................................................................133 7.3.1 Anlise dos dados obtidos por RMN de 1H de lquidos para cafs

crus..................................................................................................133 7.3.2 Anlise dos dados obtidos por RMN de 1H de lquidos para cafs

torrados............................................................................................140 7.3.3 Anlise dos dados obtidos por RMN de 1H HR-MAS para cafs

crus..................................................................................................143 7.3.3.1 Anlise da composio de cafs crus por RMN de 1H HR-

MAS...................................................................................151 7.4 CONCLUSES................................................................................................159

CONSIDERAES FINAIS..................................................................................................160

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................................161

APNDICE A - Anlises quali e quantitativa de cafs comerciais via ressonncia magntica nuclear.

CAPTULO 1

INTRODUO

Captulo 1 - Introduo 2

1 - INTRODUO

1.1 A importncia do caf na economia brasileira

O caf foi introduzido no Brasil em 1727, quando o Sargento-Mr do exrcito, Francisco de Melo Palheta, em uma visita a Guiana Francesa, retornou com algumas sementes do fruto do caf. Porm, somente no incio do sculo XIX, a cultura despertou interesse nos grandes proprietrios e tornou-se rapidamente a principal atividade agrcola do pas, sendo responsvel por mais da metade das divisas oriundas das exportaes brasileiras. Nas primeiras dcadas do sculo XIX, o Brasil dominou o cenrio mundial respondendo, em mdia, por 70% da produo de caf. Ainda hoje ele o maior produtor e responde por cerca de 30% da produo mundial (EPAMIG, 2006), sendo os principais estados produtores: Minas Gerais, So Paulo, Esprito Santo, Paran e Bahia (CONAB, 2006).

O declnio da participao brasileira nesse mercado pode ser atribudo a uma falta de padro de qualidade do produto nacional, no atendendo s exigncias crescentes do mercado internacional. Por outro lado, alguns de nossos concorrentes, como a Colmbia, perceberam mais rapidamente a importncia da qualidade do produto e introduziram modificaes significativas no plantio, como a colheita seletiva, na qual somente os gros maduros so colhidos, garantindo maior homogeneidade e qualidade (CARVALHO e CHALFOUN, 1985). Alm disso, a Colmbia investe cerca de US$ 30 milhes ao ano em marketing para promover o seu produto no mercado mundial, contra somente US$ 2,45 milhes de investimentos do Brasil (SINDICAFESP, 2006).

Visando melhorar sua competitividade, o Brasil, desde a dcada de 80, vem implementando aes, como a criao de selos de qualidade e ampliao dos investimentos em propaganda, alm de aumentar a oferta de cafs especiais, como o orgnico, o gourmet, o expresso, entre outros. Outro aspecto significativo a introduo de novas tcnicas de plantio e colheita, bem como incrementos considerveis nas pesquisas da rea (SINDICAFESP, 2006).


1.2 Avaliao da qualidade do caf

Os procedimentos tradicionais da avaliao comercial da qualidade do caf no levam em considerao as diferenas em sua composio qumica. A avaliao da qualidade feita atravs da prova de xcara e testes visuais, onde se avaliam o sabor e aroma da bebida, a colorao do produto final e a presena de impurezas e gros de caf defeituosos antes da torra (CHAGAS, 1994).

A qualidade do caf depende de vrios fatores, que iniciam desde os cuidados na pr-colheita, passando pelo armazenamento, que dependendo da umidade e temperatura propiciam infeces microbianas e fermentaes indesejveis, at o processamento dos gros.

conhecido que a qualidade do caf se acha estreitamente relacionada aos diversos constituintes qumicos dos gros crus, que aps torrados conferem sabor e aroma caractersticos bebida, determinando os diversos tipos de cafs encontrados no comrcio. Destes constituintes podemos citar os alcalides, cidos, aldedos, cetonas, acares, protenas, aminocidos, cidos graxos, compostos fenlicos, e algumas enzimas cuja presena, teores e atividades conferem ao caf um sabor e aroma peculiares, dentre outros (CARRERA et al., 1998 e BELTON et al., 1998). A tabela a seguir apresenta a porcentagem de algumas substncias comumente encontradas no caf cru.


TABELA 1.2.1 Composio qumica do gro de caf cru

Classes e substncias % no caf cru Carboidratos Acares redutores Sacarose Amido

1,0 7,0

10,0 leos 13,0 Protenas 13,0 cidos Clorognicos Oxlico Mlico Ctrico Tartrico

7,0 0,2 0,3 0,3 0,4

Trigonelina 1,0

Cafena Arbica: 1,0 Robusta: 2,0

Fonte: CARVALHO et al. (1997)

Vrios estudos tm sido realizados na tentativa de correlacionar a composio qumica do gro com a qualidade final do produto. Nesse trabalho, foram estudados alguns parmetros envolvidos na qualidade dos cafs, como a espcie utilizada na preparao da bebida, a presena de gros defeituosos e substituintes mais baratos, o efeito da temperatura e do tempo na composio de cafs torrados, a classificao sensorial da bebida e o modo de produo.

1.2.1 Espcie de caf

O cafeeiro uma planta que pertence famlia Rubiaceae e ao gnero Coffea que contm cerca de 60 espcies (GRAF, 1982), dentre as quais so de maior importncia comercial a espcie C. arabica L., conhecida popularmente como arbica e a C. canephora P., conhecida como robusta (MAZZAFERA et al., 1999). O caf arbica produz uma bebida de sabor e aroma mais requintados, enquanto o robusta com sabor menos apreciado, usado em blends, ou seja, em misturas de cafs de diferentes espcies e na produo do caf solvel por possuir maior teor de


slidos solveis (CARRERA, 1998). As misturas so produzidas de acordo com as exigncias de uma determinada regio, podendo assim possuir maiores teores de arbica ou robusta, conforme a demanda do consumidor. As misturas que contm maior teor da espcie arbica resultam em bebidas de sabor mais suave e agradvel ao paladar, em contrapartida, as misturas com maior teor de robusta podem ser comercializadas a um custo inferior. Entretanto, a adio de robusta ao arbica pode ser feita com o propsito de obter maiores lucros em funo do baixo custo do primeiro, tornando-se necessrio o desenvolvimento de metodologias capazes de

caracterizar a composio da mistura. Nesse sentido, vrios estudos tm sido realizados com o propsito de determinar diferenas qumicas para a discriminao entre as duas espcies.

Segundo SALDAA et al. (1997) e CARVALHO et al. (1997), as duas espcies apresentam teores de cafena distintos, sendo que a C. arabica (arbica) contm em mdia 1% do alcalide e a C. canephora (robusta) em torno de 2%. MARTN et al. (1998), verificaram que o teor de cafena um importante fator na discriminao dessas espcies de caf.

Os diterpenos cafestol e kahweol, que tm sido relacionados com o aumento de colesterol no organismo humano, tambm podem ser usados para distinguir as espcies, sendo o primeiro presente em ambas, embora com maior teor no arbica, enquanto o kahweol ocorre no arbica, mas somente em traos no robusta (ROOS et al., 1997). O maior teor de kahweol na frao lipdica extrada de cafs arbica permitiu RUBAYIZA e MEURENS (2005) discriminar cafs das duas espcies por anlise de componentes principais.

Outros compostos que variam com a espcie so os cidos clorognicos, os quais tm chamado a ateno devido sua atividade anticancergena comprovada para alguns tipos de cncer (MATTILA e KUMPULAINEN, 2002), e a sua ao benfica no combate a doenas cardiovasculares devido s suas propriedades antioxidantes (DEL CASTILLO et al., 2002). Os cidos clorognicos, FIGURA 1.2.1.1, so formados principalmente pela esterificao do cido qunico com os cidos cafeico, ferlico ou p-cumrico. A esterificao pode ainda ocorrer entre o cido qunico e dois cidos cafeicos, ou ainda, entre o cido qunico com um cido cafeico e um ferlico. Os principais grupos de cidos clorognicos so os cafeoilqunicos, que contm os cidos cafeicos alternando-se nas posies 3, 4 e 5 do cido qunico; os feruloilqunicos (3,


4, 5), e os dicafeoilqunicos cujos ismeros principais so 3, 4; 3, 5 e 4, 5. O teor total desses cidos no caf cru de aproximadamente 6,0% para a espcie arbica e 9,5% para a robusta (MOREIRA et al., 2000), muito embora se encontrem somente traos dos cidos livres nos gros de caf cru (CLARKE e MACRAE, 1985).

1'

2' 3'

4'

5' 6'

7'

8'9'

OH

HOOCOH

OH

O CO

CH CH OH

R

12

3

4

56

R=H, cido 5-p-cumaroilqunicoR=OH, cido 5-cafeoilqunicoR=OCH3, cido 5-feruloilqunico(1)

FIGURA 1.2.1.1 Estrutura dos cidos clorognicos (1)

Segundo CAMPA et al. (2004), o contedo de trigonelina e sacarose, FIGURA 1.2.1.2, tambm variam dependendo da espcie, e podem apresentar teores de 0,95 - 1,29 e 7,99 - 11,0%, respectivamente, para a espcie arbica e de 0,52 - 1,06 e 5,94 - 6,47% para a espcie robusta. A importncia do teor de trigonelina na discriminao entre as espcies, utilizando mtodos quimiomtricos, foi confirmada por CASAL et al. (2000). Outros compostos tambm tm tido sua importncia demonstrada, por exemplo, o teor de lipdeos totais (MAZZAFERA et al., 1999), esteris (CARRERA et al, 1998), cidos graxos (MARTN et al., 2001), teor de metais (MARTN et al., 1998), dentre outros.

O

O

O

HOHO

HO

HOCH2

HOCH2

CH2OHOH

HO

123

4 5

6

1'

2'

3' 4'

5'

6'N

C

CH3

O

O

12

3

45

6

7

8

(2) (3)

FIGURA 1.2.1.2 Estrutura da trigonelina (2) e sacarose (3)


1.2.2 Presena de gros com defeitos do tipo verdes, ardidos e pretos

A melhor qualidade da bebida propiciada por gros que atingem um estgio de maturidade ideal, gros cereja, no qual a casca, a polpa e a semente se encontram com composio qumica adequada a proporcionar ao fruto seu mximo de qualidade. Quando esse estgio no atingido ou h a supermaturao dos frutos, so produzidos os gros defeituosos, cujas caractersticas qumicas e fsicas so diferentes e exercem uma influncia prejudicial para o aspecto e, principalmente, para o sabor da bebida de caf.

Os conceitos e denominaes para cafs defeituosos ainda no so bem consolidados. No Brasil, a terminologia defeito preto usada para designar dois tipos de gros, aqueles que caem naturalmente pela ao da chuva, elevado grau de maturao ou durante a colheita e permanecem em contato com o solo favorecendo fermentaes microbianas, e aqueles gros que so provenientes de um estgio anterior ao de maturao daqueles denominados de caf verde (imaturos) (MAZZAFERA, 1999). A principal diferena entre eles a presena de uma pelcula prata brilhante e aderente na superfcie dos gros pretos imaturos. Esses so tambm conhecidos como verdes-pretos. Os gros ardidos esto associados a uma fermentao intensa (FRANCA et al., 2005) e so encontrados em maior freqncia na frao seca no cho (CHAGAS, 1994).

Aps o amadurecimento total dos frutos, inicia-se o perodo de senescncia, onde ocorrem fermentaes com produo de lcoois e cidos indesejveis. De acordo com FELDMAN et al. (1965), citado por CARVALHO et al. (1997), a frao cida do caf constituda, basicamente, por cidos no volteis (oxlico, mlico, ctrico e tartrico) e cidos volteis (actico, propinico, valrico e butrico). Alguns desses cidos dependendo de suas concentraes, conferem sabor e odor desagradvel bebida do caf. A presena dos defeitos possivelmente acarreta um desequilbrio quanto existncia e proporo desses cidos, ocasionando reduo na qualidade do caf.

COELHO et al. (2002) verificaram alterao significativa nos valores de acidez titulvel, aps a incluso de gros com defeitos verde, ardido e preto no caf cru estritamente mole. Houve um declnio nesses valores com a adio de gros verdes, pois eles no possuem a composio qumica completa do gro maduro. Ocorreu aumento nos valores de acidez quando foram includos gros ardidos e


pretos, provavelmente em decorrncia de fermentaes indesejveis ocorridas nos frutos. O autor explica que os gros pretos oriundos de fermentaes mais intensas que os ardidos exibiram valores de acidez titulvel menores, por causa da possibilidade de ocorrncia de uma maior volatilizao e/ou lixiviao de cidos em virtude de degradaes mais intensas que tenham ocorrido nas membranas. Os menores valores de acidez titulvel apresentados pelos gros verdes foi atribuda ausncia de mucilagem.

CHAGAS (1994) encontrou uma associao positiva entre a qualidade da bebida e o teor de acares em gros de cafs brasileiros de trs regies. Os maiores valores foram encontrados em cafs do Tringulo Mineiro/Alto Paranaba onde as condies climticas levaram a uma maturao mais gradual e uniforme, enquanto os cafs produzidos na Zona da Mata tiveram os menores teores de acares.

Com relao ao teor dos cidos clorognicos, MENEZES (1994) mostrou que a incluso de gros parcialmente maduros afeta negativamente o aroma da bebida de caf devido baixa quantidade do cido monocafeoilqunico em relao aos dicafeoilqunicos, que conferem adstringncia bebida.

De acordo com MAZZAFERA (1999), o teor de cafena no apresentou variao significativa entre cafs defeituosos e bons, e portanto no foi responsvel por nenhuma mudana na qualidade da bebida associada com a maturidade da fruta.

Os gros de caf defeituosos representam em torno de 20% do total da produo do nosso caf e so separados dos gros saudveis antes da comercializao no mercado internacional, sendo inteiramente destinados ao mercado interno (FRANCA et al. 2005). Entretanto, recentemente, pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais comprovaram a viabilidade de se converter o leo do caf (defeituoso ou no) em biodiesel. A novidade surgiu justamente no momento em que o governo comea a apostar na produo do diesel a partir de leo vegetal para reduzir a dependncia externa do pas e incentivar o agronegcio brasileiro (OLIVEIRA et al., 2006).


1.2.3 Adulterao de caf com substituintes mais baratos

A deteco de impurezas e misturas no p de caf torrado e modo uma preocupao constante no que diz respeito, principalmente, certificao da qualidade do produto.

No Brasil, as impurezas ou misturas encontradas com maior freqncia no caf torrado e modo so: cascas do fruto, gravetos ou fragmentos do cafeeiro, milho, cevada, acar, caf esgotado, entre outros. Um dos principais problemas encontrados na identificao desses materiais refere-se aos mtodos analticos empregados, que so subjetivos.

Para se detectar a adulterao com cevada, o processo convencionalmente utilizado consiste no tratamento com reagentes qumicos e anlise visual de uma pequena poro do p com o auxlio da lupa (20x). A quantificao das impurezas baseada na comparao do percentual do extrato aquoso da amostra que est sendo analisada com o extrato aquoso do caf puro. Entretanto, esse mtodo exige do analista que ele conhea bem o aspecto do caf sob suas diferentes formas: caf de baixa qualidade, cafs demasiadamente torrados ou pouco torrados, moagem em moinho tradicional ou de rolos etc.

Nesse trabalho, a deteco e quantificao de cevada adicionada em ps de caf torrado so descritas utilizando-se mtodos espectroscpicos, tais como, infravermelho e RMN. A tcnica de espectroscopia na regio do infravermelho representa uma opo atrativa na verificao da qualidade por ser rpida, de baixo custo e no destrutiva. O espectro na regio do infravermelho contm absores originadas de vibraes de ligaes moleculares e a regio de 400 - 4000 cm-1 , particularmente, muito sensvel composio qumica de uma amostra. Existem diversos estudos que confirmam a utilidade dessa tcnica na anlise da autenticao do caf, como BRIANDET et al. (1996), KEMSLEY et al. (1995) e SUCHANEK et al. (1996), dentre outros. As vantagens da tcnica de RMN sero descritas posteriormente.

1.2.4 Efeito do grau de torra na composio qumica do caf

O sabor e o aroma da bebida de caf so influenciados por vrios fatores que vo desde a colheita at o preparo da mesma. Mas o grande


responsvel pelas caractersticas gustativas da bebida o processo de torra dos gros. A torrefao provoca mudanas fsicas e qumicas devido principalmente s reaes pirolticas que ocorrem nos compostos orgnicos do gro cru gerando produtos, tais como; cidos volteis, sulfetos e outros. atravs da pirlise que ocorre o desenvolvimento do sabor do caf, acontecendo simultaneamente degradaes e snteses de novos compostos (CARVALHO et al., 1997). Mais de 800 compostos volteis de vrias classes j foram identificados no caf torrado.

Alm disso, o grau de torra tem impacto na concentrao de vrios compostos importantes, como por exemplo, o guaiacol e 2-furfuriltiol, cuja concentrao aumenta com o grau de torra, enquanto que a 2,3-butanodiona e 2,3-pentanodiona apresentam um mximo de concentrao para um grau de torra mdio e exibem concentrao mnima em cafs com alto grau de torra (SCHENKER et al., 2002).

Alm desses, outros compostos de grande interesse so os cidos clorognicos que degradam durante a torrefao produzindo compostos fenlicos de baixa massa molecular, tais como: 1,2,3-triidroxibenzeno (pirogalol), 1,2-diidroxibenzeno (catecol), 4-vinilbenzeno-1,2-diol (4-vinilcatecol), entre outros, que apresentam caractersticas sensoriais bem variadas, como odores de especiarias, cravo, fumo e, tambm, sensao de amargor e adstringncia. Alm da importncia para a formao do sabor e aroma do caf, os cidos clorognicos exercem atividade biolgica. Segundo ROBINSON et al (1996) citado por TOCI et al. (2006) o cido 3,5-dicafeoilqunico um potente inibidor da integrase do vrus da imunodeficincia humana (HIV-1), uma enzima necessria para a infeco das clulas. O cido 5-cafeoilqunico, o cido cafeico e toda famlia destes cidos mostraram-se potentes antioxidantes em eritrcitos humanos. Entretanto, esse efeito benfico pode ser perdido aps a torrefao. TRUGO e MACRAE (1984), determinaram uma perda de 60,9% e 59,7% desses cidos para as espcies arbica e robusta respectivamente, aps torrefao leve do caf verde (205C 7min). Outra substncia presente no caf e que tem despertado interesse a trigonelina, importante no pela sua presena em si, mas principalmente, pelos produtos da sua degradao que podem ser gerados no processo de torra. Alm de gerar uma importante classe de compostos, os pirris, que so de relevante importncia para o aroma do caf, tambm produz o cido nicotnico, que permite a estimativa do grau de torra, estabelecendo-se a relao do seu teor com o teor de


trigonelina no degradada (CLARKE e MACRAE, 1985). O cido nicotnico ou niacina uma importante vitamina para o metabolismo humano, podendo ser encontrado em quantidades que chegam prximo a 20 mg para cada 100 g de caf torrado, dependendo evidentemente, do grau de torra do caf.

Os polissacardeos e outros glicdios como a sacarose, so de grande importncia para o sabor e aroma do caf. A sacarose o acar de baixo peso molecular mais abundante no caf, sendo encontrado em torno de 7% no caf cru. Alm disso, seu teor extremamente relevante para a formao de pigmentos e outros compostos de alto peso molecular, formados pela condensao e caramelizao durante o processo de torra (TOCI et al., 2006).

Durante a torrefao, as protenas so desnaturadas e degradadas em molculas menores. Algumas protenas ou aminocidos livres tambm podem reagir com carboidratos ou com compostos fenlicos e polimerizarem-se formando produtos caramelizados e de colorao escura, os quais contribuem para a qualidade do caf torrado.

Sabe-se que os lipdeos atuam como protetores de substncias aromticas. Entretanto, com o processo de torrefao, eles sofrem degradao oxidativa, gerando componentes volteis como aldedos e lcoois alifticos (metanol e etanol) e aromticos, provocando, dessa forma, a perda do aroma (CARVALHO et al., 1997).

Considerando-se a diversidade dos compostos gerados durante a torrefao do caf cru tornam-se necessrios estudos que se dediquem a um maior entendimento sobre os efeitos da temperatura e do tempo na composio do gro, visto que, uma torrefao inadequada pode levar perda de aroma, depreciando a qualidade da bebida.

1.2.5 Classificao sensorial da bebida

A qualidade do caf comumente avaliada de acordo com critrios, tais como, o tamanho do gro, a forma, o aroma e a presena de defeitos. Dentre eles, o aroma, avaliado pela prova de xcara, o mais importante critrio empregado em todo o mercado mundial. No Brasil, os cafs so oficialmente classificados em seis categorias como indicado na TABELA 1.2.5.1 (CHAGAS, 1994).


TABELA 1.2.5.1 Descrio das categorias de classificao oficialmente utilizadas na prova de xcara dos cafs

Aroma/sabor Caractersticas

Estritamente mole: bebida de sabor suavssimo e adocicado Mole: bebida de sabor suave acentuado e adocicado

Apenas mole: bebida de sabor suave, porm com leve adstringncia Duro: bebida com sabor adstringente e gosto spero Riada: bebida apresentando leve sabor de iodofrmio ou cido fnico Rio: bebida com sabor forte e desagradvel lembrando iodofrmio ou cido fnico

Segundo CHAGAS (1994), a prova de xcara surgiu no Brasil no sculo XX e foi adotada pela Bolsa Oficial do Caf e Mercadorias de Santos, a partir de 1917, pouco depois de sua instalao em 1914. Tal procedimento de avaliao comercial da qualidade do caf no leva em considerao as diferenas em suas constituies qumicas. Os inmeros constituintes qumicos, volteis ou no, presentes no caf so responsveis por lhe conferir sabor e aroma caractersticos, sendo que estes constituintes variam tanto qualitativamente como quantitativamente quando comparamos cafs de diferentes qualidades (CARRERA et al., 1998).

Existem diversos trabalhos que relatam a preocupao por parte dos pesquisadores em auxiliar o atual mtodo de avaliao, reduzindo sua subjetividade, e fornecendo mtodos analticos baseados na constituio qumica dos cafs. Dentre esses trabalhos, um grande nmero refere-se enzima polifenoloxidase (OLIVEIRA et al., 1997; CHAGAS, 1994). Segundo CARVALHO et al. (1994), a determinao da atividade da polifenoloxidase permite avaliar, de modo objetivo, a qualidade do caf. Nesse trabalho, os autores elaboraram uma tabela de classificao complementar prova de xcara, na qual o caf classificado como estritamente mole apresenta atividade da polifenoloxidase superior a 67,66 U/min/g de amostra; mole e apenas mole apresentam atividade de 62,99 a 67,66 U/min/g de amostra; duro, atividade de 55,99 a 62,99 U/min/g de amostra e riada e rio apresentam atividade inferior a 55,99 U/min/g de amostra. Segundo MAZZAFERA e ROBINSON (2000) os compostos fenlicos, principalmente os cidos clorognico e cafeico, exercem uma ao protetora, antioxidante dos aldedos. Quando h qualquer condio adversa aos gros, ou seja, colheita inadequada, problemas no processamento e armazenamento, as polifenoloxidases agem sobre os polifenis diminuindo sua ao antioxidante sobre os aldedos, facilitando a oxidao destes,


ao mesmo tempo que produz quinonas, as quais agem como substrato inibidor da ao da polifenoloxidase. Dessa forma, os cafs de pior qualidade, os quais tiveram seu sabor afetado por condies adversas apresentam baixa atividade dessa enzima.

1.2.6 Modo de cultivo: orgnico e convencional

O termo alimento organicamente produzido atribudo ao alimento que foi cultivado de acordo com os princpios e prticas da agricultura orgnica. Dentre os princpios da agricultura orgnica pode-se destacar o melhor aproveitamento dos recursos naturais renovveis, conservao dos recursos no renovveis, alm da no utilizao de fertilizantes de alta solubilidade, agrotxicos, antibiticos, hormnios, aditivos artificiais, organismos geneticamente modificados e radiaes ionizantes. Uma agricultura orgnica definida como sistema de manejo sustentvel da unidade de produo, com enfoque na preservao ambiental, agrobiodiversidade, ciclos biolgicos e qualidade de vida do homem.

A produo do caf orgnico vem se constituindo uma tendncia do agronegcio brasileiro. Atualmente, a maior parte da produo do caf orgnico se destina ao mercado internacional, principalmente Japo, Estados Unidos e Europa, onde se consegue preos de 15 a 50% superiores ao convencional. Esse processo de produo tem atrado grande interesse e vem apresentando uma taxa de crescimento superior mdia dos cafs convencionais. Isso ocorre pelo fato de estar baseado em prticas ecologicamente sustentveis, e por estar relacionado com a produo de alimentos mais saudveis (WOESE et al., 1997).

Com relao qualidade, diversos alimentos orgnicos tm sido analisados caso a caso, sendo verificado tanto atributos negativos quanto positivos. No tomate orgnico, os degustadores encontraram uma melhor qualidade sensorial quando comparada ao convencional, por outro lado, no trigo orgnico houve uma diminuio no teor de protenas provocando conseqncias indesejveis no crescimento do po (BOURN e PRESCOTT, 2002).

Existem vrios estudos que visam diferenciar os alimentos produzidos convencionalmente dos produzidos organicamente. Entretanto, mesmo encontrando diferenas entre os modos de produo, os resultados no so conclusivos e no podem ser generalizados, pois em muitos no existe nenhum detalhe sobre a


variedade da planta ou grau de maturidade do alimento em questo, variveis que podem influenciar mais na concentrao dos constituintes qumicos que o prprio modo de cultivo (MAGKOS et al., 2006).

Em recente trabalho, analisando cafs crus (Coffea arabica) produzidos em Minas Gerais, FERNANDES et al. (2002) discriminaram cafs produzidos organicamente dos convencionalmente. Nesse trabalho, os autores mediram o teor de diversos elementos e encontraram como marcadores para a discriminao o teor de Br, Ca, Cs, Mn e Rb. Por outro lado, at o presente momento no se tem conhecimento, na literatura, de nenhum trabalho em que os compostos orgnicos foram utilizados para discriminar cafs dos dois modos de produo.

1.3 Ressonncia magntica nuclear

A RMN uma das mais poderosas ferramentas espectroscpicas para investigao de propriedades qumicas e fsicas em misturas complexas, podendo ser aplicada tanto na elucidao estrutural de compostos orgnicos como na quantificao desses compostos.

Vrias tcnicas analticas tm sido utilizadas com sucesso na investigao dos constituintes qumicos do caf, tais como: cromatografia lquida de alta eficincia (ANDRADE et al.,1998 e DEL CASTILLO et al., 1999) espectroscopia nas regies do infravermelho (BOUHSAIN et al., 1999 e BRIANDET et al., 1996) e infravermelho prximo (DOWNEY e BOUSSION, 1996 e ESTEBAN-DEZ et al., 2004), cromatografia gasosa (BICCHI et al., 1997 e CARRERA et al., 1998), cromatografia gasosa acoplada espectrometria de massas (DE MARIA et al., 1998 e MAEZTU et al., 2001) e a ressonncia magntica nuclear (BOSCO et al., 1999 e CHARLTON et al., 2002). Entretanto, a espectroscopia de ressonncia magntica nuclear comparada s outras tcnicas, apresenta a vantagem de ser um mtodo de anlise simples, rpido e no degradativo, alm de fornecer em um nico espectro um grande nmero de informaes.

A maioria dos trabalhos envolvendo a RMN no estudo de cafs tem utilizado essa tcnica para identificao de substncias isoladas ou que constituem um pequeno grupo de substncias numa frao extrada do caf. Nesse sentido, DAGOSTINA et al. (2004), investigaram os compostos polimricos da frao espumante de cafs expressos recm preparados e caracterizaram o material


protico e os polissacardeos que mostraram ser derivados dos acares manose, glusose e galactose. STADLER et al. (2002a e 2002b) determinaram e quantificaram os produtos de degradao trmica da trigonelina em sistemas modelos. NAVARINI et al. (1999), analisaram a frao aquosa de cafs torrados e identificaram os polissacardeos presentes, enquanto, WECKERLE et al., 2002, identificaram os dissacardeos isolados de cafs verdes.

No entanto, a aplicao dessa tcnica no requer nenhum procedimento especfico para extrao e purificao das substncias para posterior anlise, sendo o principal atrativo e um dos motivos pelos quais tem sido utilizada cada vez mais na anlise de alimentos, tais como, na determinao da origem geogrfica e autenticidade de diversos tipos de alimentos como: suco de laranja (VOGELS et al., 1996 e PUPIN et al., 1998), leo de oliva (VLAHOV, 1999 e MANNINA et al., 2003.), cerveja (DUARTE et al., 2002), leo de mostarda (REMAUD et al., 1997), queijo (BRESCIA et al., 2005), carne (BROWN et al., 2000) dentre outros.

A RMN tem tido grandes avanos nos ltimos anos podendo destacar a tcnica de HR-MAS ou High Resolution Magic Angle Spinning (Giro no ngulo Mgico com Alta Resoluo no espectro) que empregada no estudo de amostras heterogneas ou semi-slidas.

Uma amostra considerada heterognea ou semi-slida quando apresenta certo grau de mobilidade, como por exemplo, tecidos vegetal ou animal. Quando tais amostras so analisadas via a RMN tradicional, utilizando-se as sondas convencionais para amostras lquidas, a resoluo espectral limitada por fatores relacionados ao movimento molecular restrito como: o acoplamento dipolar, o deslocamento qumico anisotrpico e as diferenas na susceptibilidade magntica da amostra. Todos esses fatores contribuem para o aumento da largura de linha, dificultando a anlise espectral. Em amostras lquidas, tais efeitos so desprezveis devido rpida movimentao molecular (CLARIDGE,1999).

O acoplamento dipolar a interao entre spins nucleares atravs do espao, sem o intermdio de nenhum outro tomo ou eltron e depende da posio relativa entre dois ncleos. Em uma determinada posio, o campo magntico gerado pelo spin de um ncleo pode aumentar ou diminuir a intensidade do campo magntico aplicado (Bloc) num outro ncleo vizinho. Este campo magntico no qual os spins ficam sujeitos implica na obteno de uma extensa banda de freqncias


para um nico ncleo. O efeito do acoplamento dipolar depende do movimento rotacional das molculas que esto interagindo e tambm do tempo do campo flutuante ao qual esto sujeitos. Dessa forma, amostras que apresentam movimento molecular livre, como lquidos no viscosos, tm tais efeitos anulados devido ao rpido movimento molecular (CLARIDGE,1999).

As amostras com mobilidade restrita apresentam deslocamentos qumicos diferenciados para ncleos correspondentes, que so os deslocamentos qumicos anisotrpicos, produzidos pelas diversas orientaes das molculas em relao ao campo magntico principal (B0) do equipamento. O efeito disso o alargamento dos sinais devido aos vrios deslocamentos produzidos por um mesmo ncleo. Em soluo, o movimento randmico da molcula faz com que apenas uma nica freqncia mdia, a freqncia isotrpica, seja observada para cada local distinto quimicamente (CLARIDGE,1999).

As diferenas na susceptibilidade magntica ocorrem devido heterogeneidade fsica das amostras slidas. Assim, dependendo da posio em que se encontram na amostra, ncleos quimicamente idnticos podem apresentar diversas freqncias de ressonncia, o que implica num grande alargamento de linha dos sinais.

A diferena entre os campos magnticos locais, Bloc, experimentada por spins nucleares equivalentes responsvel pela contribuio do acoplamento dipolar e do deslocamento qumico anisotrpico para o alargamento dos sinais. Os campos magnticos locais esto relacionados ao momento magntico dos spins segundo a equao (1):

( )1cos3 23 = ISSloc rB (1)

Onde: locB corresponde ao campo magntico local experimentado por

um ncleo I e gerado por um

ncleo S ,

S ao momento magntico do ncleo S , SIr

distncia internuclear, ao ngulo entre o vetor internuclear e o campo 0B e

orientao dos spins em relao ao campo aplicado. Quando o ngulo igual a 54,74, o termo 1cos3 2 torna-se zero, e o momento magntico teoricamente anulado reduzindo-se assim os efeitos relacionados ao campo magntico local (Bloc).


Dessa forma, com a utilizao da tcnica HR-MAS ocorre a reduo da largura de linha e o aumento significativo da qualidade do espectro produzido pelo giro rpido da amostra no ngulo de 54,74 (ngulo mgico). O giro da amostra a uma velocidade de aproximadamente 5 KHz, para um equipamento de 9,4T, e no ngulo mgico (FIGURA 1.3.1) diminui significativamente os efeitos do acoplamento dipolar e do deslocamento qumico anisotrpico, assim como a diferena das susceptibilidades magnticas oriundas da heterogeneidade da amostra (SANDERS e HUNTER, 1987) obtendo, assim, espectros de RMN de 1H com resoluo semelhante encontrada para lquidos.

B0

= 54,74o

rotor

FIGURA 1.3.1: Esquema ilustrativo do giro do rotor no ngulo mgico.

Por permitir que espectros de amostras heterogneas tenham resoluo semelhante de lquidos e tambm por no requerer nenhum pr-tratamento das amostras, o que consome tempo e reagentes, essa tcnica tem sido cada vez mais aplicada na anlise de alimentos.

Em 2000, GIL et al., com o objetivo de acompanhar as mudanas na composio da manga durante o seu amadurecimento, aplicaram a tcnica HR-MAS em conjunto com a anlise de lquidos e tiveram timos resultados, os quais permitiram identificar diversos constituintes como cidos, aminocidos e outros compostos minoritrios, alm de determinar as principais diferenas devido ao amadurecimento da fruta.

Em 2003, BRESCIA et al. aplicaram essa tcnica em amostras de farinha de trigo e po, e identificaram um grande nmero dos componentes presentes nas amostras. Em trabalho anterior, SACCO et al. (1998), tambm analisando farinha de trigo, de diferentes regies do sul da Itlia, alm de obter informaes sobre os constituintes qumicos das amostras, verificaram tendncias de discriminao quanto origem geogrfica das mesmas.


A tcnica HR-MAS tambm se mostrou uma ferramenta poderosa no controle de qualidade de queijos fornecendo informaes sobre a caracterizao organolptica, origem e idade das amostras (SHINTU et al ., 2004).

Entretanto, o poder e a eficincia das anlises por RMN em geral podem ser intensificados pela aplicao dos mtodos de anlise multivariada, ou seja, mtodos quimiomtricos. Devido riqueza de informaes freqentemente gerada nos espectros de RMN, torna-se necessrio a aplicao conjunta de mtodos que possam reduzir a complexidade dos dados e ao mesmo tempo evidenciar as informaes mais importantes.

1.4. Mtodos quimiomtricos

A quimiometria uma rea da qumica que emprega mtodos matemticos para extrair o mximo de informao dos dados, apresentando-a de forma mais simplificada. Dentre os mtodos quimiomtricos mais utilizados em conjunto com a RMN esto os mtodos de anlise por reconhecimento de padres no supervisionados, supervisionados e de calibrao multivariada.

1.4.1 - Mtodos no supervisionados:

O objetivo desses mtodos verificar se existe agrupamento em um conjunto de dados sem utilizar, nos clculos, informao a respeito das classes. O sistema examinado para revelar algum agrupamento natural das amostras definido pelas medidas experimentais (BEEBE, 1998). Dentre esses mtodos destacam-se a anlise de componentes principais (PCA) e anlise de agrupamentos hierrquicos (HCA).

Anlise de componentes principais:

A anlise de componentes principais (PCA) uma tcnica que reduz a dimensionalidade de um conjunto de dados complexo apontando as informaes importantes em poucas variveis derivadas do conjunto de dados originais. Alm disso, estabelece a viabilidade do conjunto de dados com respeito construo de modelos de classificao e calibrao.


Na anlise por PCA, a matriz original passa a ser representada por novas variveis que so chamadas de componentes principais, fatores ou variveis latentes. A primeira componente principal situada na direo da maior variao dos dados, a segunda ortogonal primeira e numa direo que descreva a segunda maior variao nos dados, e assim por diante. Dessa forma, as informaes mais relevantes ficam concentradas nas primeiras componentes e as de menor importncia, nas ltimas. Isso implica numa das principais vantagens desse mtodo que a eliminao de grande parte dos rudos experimentais, pois tais rudos constituem uma populao de erros aleatrios e no so correlacionados com as informaes contidas na matriz de dados (ALAN e ALAN, 2005).

Na anlise por PCA, a interpretao dos resultados facilitada por grficos bidimensionais ou tridimensionais. Os grficos de scores representam as amostras projetadas no novo sistema de eixos das componentes principais, sendo possvel verificar o agrupamento daquelas que so semelhantes entre si, e a discriminao em classes daquelas diferentes. Os grficos de loadings indicam quais variveis do conjunto original contribuem para a discriminao observada nos grficos de scores, evidenciando as diferenas na composio qumica das amostras.

Anlise de agrupamentos hierrquicos:

O objetivo deste mtodo agrupar os objetos com atributos semelhantes. Para isso, as distncias entre todas as amostras so calculadas num conjunto de dados onde os parmetros so as coordenadas num espao multidimensional de n variveis. Estas distncias possibilitam verificar como esto distribudas espacialmente as amostras, ou seja, se esto prximas umas das outras e se formam grupos.

A equao (2) apresenta a frmula para o clculo da distncia rab entre duas amostras a e b:

( )2/1

1

2var

)()(

=

=

n

ibaab ixixr (2)

Onde, )(ixa e )(ixb so as i-simas coordenadas das amostras a e b, respectivamente. Essas distncias calculadas podem ser comparadas diretamente


ou podem ser normalizadas para criar uma matriz de similaridade, abS , entre dois

pontos a e b, usando a equao 3:

=

max

1r

rS abab (3)

Onde rab a distncia entre o par de amostras selecionado e rmax a distncia mxima encontrada entre os pontos no conjunto de dados. Os dois pontos mais distantes no conjunto de dados (mais dissimilar) tem S = 0,0, enquanto os dois pontos idnticos tem S = 1,0.

Na anlise por HCA, os resultados so apresentados na forma de dendrogramas. Na construo desses grficos, inicialmente cada amostra assumida ser um grupo. Os grupos com maior similaridade, menor distncia, so ligados em um novo grupo. A matriz de similaridade recalculada, e o processo repetido at permanecer somente um grupo. Os grupos podem ser ligados utilizando-se diferentes mtodos como o mtodo de conexo simples, que liga os grupos baseando-se na distncia ao vizinho mais prximo; conexo completa, que se baseia na distncia ao vizinho mais distante e conexo incremental, que utiliza a mdia ponderada no clculo da distncia, considerando-se o nmero de amostras no grupo. Os dendrogramas resultantes permitem que diferentes ligaes sejam visualizadas, onde o comprimento dos ramos proporcional distncia entre os grupos ligados (Pirouette, 1990 - 2003).

1.4.2 - Mtodos supervisionados:

Os mtodos supervisionados so usados quando o objetivo construir um modelo para classificar amostras desconhecidas. Esses mtodos requerem o uso de amostras com caractersticas conhecidas para treinar o computador.

Os mtodos de classificao mais comuns so o Soft Independent Modeling of Class Analogy (SIMCA) e o K- Nearest Neighbor (KNN).


Soft independent modeling of class analogy:

O SIMCA um mtodo de classificao supervisionado baseado na anlise de componentes principais. Para cada classe conhecida de amostras, um modelo de PCA criado. Em torno de cada classe so geradas hipercaixas, em que os limites so definidos para o nvel de confiana desejado, que geralmente 95%. A atribuio de amostras desconhecidas a uma determinada classe baseada na projeo da mesma, no espao dos scores e sua distncia das fronteiras da classe em questo. Isto feito para todas as classes e, se os modelos no tiverem poder de discriminao suficiente, a amostra pode ser membro de mais de uma classe, ou ainda, quando a amostra anmala em relao ao conjunto de treinamento, ela no ser atribuda a nenhuma das classes (BEEBE et al.,1998).

O poder de discriminao do modelo SIMCA pode ser verificado pela distncia entre as classes. Quanto maior a distncia entre duas classes mais separadas elas estaro, e portanto menores as chances de atribuies errneas.

K-nearest neighbors

O KNN um mtodo de classificao que determina a classe de uma amostra desconhecida com base na distncia entre ela e seus vizinhos mais prximos, cujas classes so conhecidas. A distncia entre ela e o conjunto das amostras com classe conhecida calculada, e por comparao, os k-vizinhos mais prximos dessa amostra so usados para fazer a classificao, onde cada um d um voto para sua classe. No final, a amostra atribuda classe que obtiver mais votos. Em caso de empate, a classe com menor distncia acumulada fica com a amostra.

A principal diferena entre esse mtodo e o SIMCA consiste no fato de que ele obrigatoriamente classifica a amostra como pertencente a uma das classes existentes no conjunto.

1.2.3 - Mtodos de calibrao

Nos mtodos de calibrao, o teor de um ou mais constituintes numa mistura pode ser determinado fazendo-se uma nica medida espectroscpica (PEDRO, 2005). Esses mtodos apresentam a vantagem de permitir o estudo com


vrias espcies presentes ao mesmo tempo, no importando a existncia ou ausncia de diferenas marcantes entre elas, nem a existncia de alta correlao nos dados. Dois mtodos de calibrao comumente usados so o Partial Least Squares (PLS) e o Principal Components Regression (PCR) que variam basicamente na forma de decompor a matriz de dados.

Os mtodos de calibrao visam encontrar um algoritmo matemtico que relacionam as respostas de um instrumento com as propriedades de interesse. Uma vez encontrado, a concentrao de um componente qumico de interesse poder ser prevista, usando a resposta instrumental das amostras.

O processo geral de calibrao consiste de duas etapas: a modelagem, que estabelece uma relao matemtica entre as variveis independentes (X) e a propriedade de interesse (Y) e a validao, que otimiza a relao buscando uma melhor descrio dos analitos de interesse. Uma vez concluda a calibrao, o modelo construdo a partir dos dados originais est apto a ser aplicado para a previso em amostras desconhecidas.

Principal components regression:

A decomposio da matriz de dados X feita usando etapas semelhantes ao PCA seguida por uma etapa de regresso, onde os resultados so relacionados com as variveis dependentes (Y).

Partial least square:

No mtodo PCR, os scores e loadings so calculados usando estritamente a informao espectral, o que pode resultar numa fragilidade do mtodo. Quando o analito de interesse apresenta um sinal muito fraco, e portanto no influencia fortemente as primeiras componentes principais, isso pode levar necessidade de incluir um maior nmero delas na construo do modelo. No mtodo PLS, esse problema contornado, pois a informao sobre a concentrao includa durante o clculo dos scores e loadings (FERREIRA et al., 1999). Durante a decomposio da matriz de dados, as informaes extradas das variveis independentes so passadas ao vetor y e vice-versa (BRERETON, 2002).


Recentemente a tcnica de RMN, como ferramenta analtica, e a quimiometria como instrumento estatstico de anlise multivariada de dados, tm sido aplicadas com grande sucesso no controle de qualidade, na determinao da origem geogrfica e autenticidade de diversos tipos de alimentos.

DUARTE et al. (2002) aplicaram a anlise por PCA em espectros de RMN de 1H de cervejas, e discriminaram quatro grupos de acordo com as diferenas em suas composies, mostrando o potencial do mtodo em fornecer informao rpida sobre os fatores que afetam a produo das mesmas.

BELTON et al. (1998) aplicaram a anlise quimiomtrica em espectros de RMN de 1H de sucos de mas, e mostraram ser possvel identificar a variedade da ma utilizada no preparo do suco e ainda determinar os principais responsveis por essa discriminao.

OGRINC et al. (2001) aplicaram mtodos quimiomtricos aos dados de RMN e de espectroscopia de massas (no diretamente aos espectros, mas s razes isotpicas de D/H, 13C/12C e 18O/16O) e mostraram ser possvel a

tese leila.pdf

Documents