ISSN 1678-0701
Número 69, Ano XVIII.
Setembro-Novembro/2019.
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Relatos de Experiências

No. 69 - 27/09/2019
ESPECTROSCOPIA NIR: UMA PROPOSTA SUSTENTÁVEL PARA ANÁLISE DA QUALIDADE DO CAFÉ SOMBREADO DO MACIÇO DE BATURITÉ, CEARÁ  
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ESPECTROSCOPIA NIR: UMA PROPOSTA SUSTENTÁVEL PARA ANÁLISE DA QUALIDADE DO CAFÉ SOMBREADO DO MACIÇO DE BATURITÉ, CEARÁ

Arlindo Pereira Nogueira1, Lívia Paulia Dias Ribeiro 2

1 Mestrando em Sociobiodiversidade e Tecnologias Sustentáveis pela Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira (UNILAB).

2 Professor Permanente do Mestrado Acadêmico em Sociobiodiversidade e Tecnologias Sustentáveis (MASTS) da Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira (UNILAB); Doutora em Química (UNICAMP).



Resumo:

Essa escrita teve por objetivo apresentar a espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) como uma proposta sustentável de análise da qualidade do café sombreado do maciço de Baturité-Ceará, apresentando a relação entre a produção do café sombreado e espectroscopia NIR como uma técnica ecológica de pesquisa a ser explorada. Para isso, foi utilizado para amostras de análise, o café de sombra produzido na região serrana do maciço de Baturité, Ceará e um equipamento ultra-portátil que opera na região do infravermelho próximo com comprimento de ondas de 900-1700 nm.

Palavras-chave: Espectroscopia NIR, Café sombreado, Sustentabilidade.

Abstract:

This paper aimed to present the near infrared spectroscopy (NIR) as a sustainable proposal for the analysis of shaded coffee quality of the Baturité-Ceará massif, showing the relationship between the production of shaded coffee and NIR spectroscopy as an ecological research technique to be explored. For this, the shade coffee produced in the mountain region of the Baturité massif, Ceará, and an ultra-portable equipment operating in the near infrared region with a wavelength of 900-1700 nm were used for analysis samples.

Key words: NIR spectroscopy, Shade coffee, Sustainability.



INTRODUÇÃO

É notório os problemas ambientais que temos enfrentado na sociedade contemporânea, principalmente as geradas por ações humanas. Isso tem gerado discussões e pesquisas envolvendo essa temática, cujo objetivo é solucionar ou diminuir as causas dessas tragédias.

A revolução tecnológica tem sido uma das principais causas de problemas ambientais nas últimas décadas, pois ela é desenvolvida a passos largos facilitando o desenvolvimento de um contexto de consumismo supérfluo marcado por desperdícios e agressão ao meio ambiente (DOLCI; LUNARDI, 2013).

Entretanto, apesar da tecnologia ser uma das grandes responsáveis pelo crescimento econômico a qualquer custo, intensificando o consumo exacerbado em detrimento da degradação ambiental, as novas tecnologias podem ser utilizadas como processos de transformação ambiental evitando desperdícios do sistema produtivo, disseminando e politizando informações sobre demandas ambientais, atuando como mediadora entre a sociedade e a natureza (MARTIINS et al, 2015).

Kruglianskas e Pinsky (2014) ponderam que um país que possui uma infraestrutura industrial e tecnológica ainda em desenvolvimento, a exemplo do Brasil, possibilita a adoção de novas tecnologias para atender as exigências da sustentabilidade sem demandar muitas reconversões de infraestrutura.

Diante do exposto, essa escrita objetiva apresentar um equipamento de espectroscopia ultra portátil que opera na região de infravermelho próximo (NIR) como uma proposta sustentável de análise da qualidade do café sombreado do maciço de Baturité-Ceará. Para isso, foi utilizado como amostras de análise, o café de sombra produzido no maciço de Baturité, Ceará.



A ESPECTROSCOPIA NIR A FAVOR DA SUSTENTABILIDADE

A espectroscopia é a ciência que estuda a compreensão da geração da radiação eletromagnética e da sua interação com a matéria. Trata-se um assunto cujo escopo é muito amplo devido a extensão do espectro eletromagnético por uma larga faixa de energia (PASQUINI, 2018).

Nesse contexto, a espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) tem tido um desenvolvimento extraordinário nos últimos tempos tendo suas aplicações nas diferentes áreas do conhecimento (BUENO, 2004). Essa região é dividida em três partes: Infravermelho próximo, médio e distante, onde o foco desse estudo é o primeiro, cujo intervalo de comprimento de onda encontra-se entre 780 a 2500 nm da região do espectro eletromagnético. Dessa forma, quando correlacionamos a exposição de uma amostra ao espectro de comprimento de onda entre 780 a 2500 nm através de resultados de análises laboratoriais torna-se possível gerar um modelo estatístico, explicar e estabelecer relações e semelhanças na maioria das informações inclusas nos espectros.

Essa técnica apresenta diversas características que a torna adequada a estudos voltados para sustentabilidade, sendo que é uma técnica onde não é necessário agredir o meio ambiente para obter seus resultados de análises, como a possibilidade de ensaio sem preparação da amostra, rapidez para obtenção dos espetros, dos cálculos e apresentação dos resultados, sendo um método não destrutivo, ou seja, é possível reutilizar a amostra em outros ensaios, é possível fazer análise remota, separando o analisador do ponto de amostragem através do uso de fibras óticas, especialmente importante quando se trata de análise de materiais tóxicos ou perigosos, como na indústria petroquímica (SACORAGUE, 2004).

Dessa forma, a espectroscopia NIR tem se mostrado propício no contexto ambiental da atualidade, pois trata-se de uma técnica de pesquisa rápida, limpa, não destrutiva na análise de qualidade das amostras, sobressaindo ao método via úmido que necessita de horas para realizar uma única análise, sem contar o uso de reagentes e de difícil descarte. Essa tecnologia atingiu um grau tão elevado que as revisões atuais são dirigidas às suas áreas específicas de aplicação (PASQUINI, 2018).

Dentre outras aplicações, a espectroscopia NIR tem grande aplicação em alimentos, pois grupos funcionais presentes nos alimentos como C-H, N-H, e O-H são detectados através de vibrações eletromagnéticas na região do infravermelho próximo (PEREIRA, 2017) a exemplo do café, em que essa técnica tem se tornado promissora no controle de qualidade dessa cultura, como uso para distinção entre espécies (CORREIA et al, 2018), distinção entre cultivares da Coffea arábica (MOREIRA; SCARMINIO, 2013), detecção de defeitos de grãos (DIAS et al, 2018), identificação de adulterações (EBRAHIMI-NAJAFABADI, et al, 2012; REIS et al, 2014; REIS et al, 2013) até mesmo distinção do cultivo orgânico e não orgânico (GODILLO-DELGADO et al, 2012).

Dessa forma, Pereira (2017) pondera que tem surgido uma considerável atenção no desenvolvimento de equipamentos NIR portáteis e de baixo custo sendo possível através destes analisar um número maior de amostras, obtendo um modelo com alta reprodutibilidade.



CAFÉ SOMBREADO DO MACIÇO DE BATURITÉ, CEARÁ: UMA ALTERNATIVA SUSTENTÁVEL

A técnica de sombreamento de café é uma das práticas mais antigas do mundo, especialmente difundido na Colômbia, Costa Rica, Guatemala, El Salvador e México (EMBRAPA, 2014). 

Esse sistema de produção de café pode ser classificado em tradicionais e tecnificadas. Tradicionais quando plantados sob árvores da floresta nativa, algumas vezes com leguminosas, frutíferas e produtoras de madeiras e tecnificadas quando as árvores sombreadas são de uma única espécie manejada com poda extensiva (EMBRAPA, 2004).

O cultivo do café no Brasil acontece tanto com sombreamento quanto a pleno sol, no entanto, percebeu-se que em algumas regiões o cultivo do café a pleno sol causava a supressão da vegetação e posteriormente, a degradação do solo o que faz diminuir a produção cafeeira. Nesse contexto, surge o café sombreado que além de permitir a sombra para o plantio do café, conserva o solo, reduz as pragas invasoras e produz húmus para a plantação, garantindo, dessa forma, a recuperação da atividade cafeeira (FERNANDES; VICENTE DA SILVA; PEREIRA, 2011).

O café produzido no maciço de Baturité, denominado pelo sistema agroflorestal de café sombreado tem ganhado mercado consumidor no Estado do Ceará, no setor turístico na região serrana do maciço de Baturité, a exemplo dos munícipios de Guaramiranga, Pacoti, Mulungu e Baturité, e até mesmo recebido propostas de investimentos comerciais de países como Alemanha, EUA e Japão. O valor comercial desse café cultivado à sombra pode chegar até 5 vezes maior que o café cultivado a pleno sol comercializados nos supermercados.

Acredita-se que o café chegou ao maciço de Baturité em 1822 quando Antônio Pereira de Queiroz Sobrinho trouxe sementes do Cariri para serem plantadas no Município de Guaramiranga dando início ao plantio sombreado somente em 1862 (SOUZA et al., 2010). Para Nascimento et al (2010) o histórico de ocupação da Serra de Baturité tem relação direta com o processo de ocupação territorial portuguesa no Ceará seguidos do plantio de cana-de-açúcar e o café.

O cultivo a pleno sol no Maciço de Baturité teve alta produção nos primeiros anos, no entanto, tal prática trouxe consigo sérios impactos ambientais causados pela derrubada e queima da mata, assim como, a inevitável erosão causando a exaustão dos solos (JUCÁ, 2014). Dessa forma, depois de algumas tentativas fracassadas de arborização através das mangabeiras e maniçobas, introduziram leguminosas como ingazeiras (Ingá ingoides) bananeiras (Musa ssp.) e/ou camunzé (Pithecellobium polycephalum) garantindo a recuperação dos cafezais, mediante a recuperação do solo através da produção de húmus com as folhas caídas, além de abrigarem os inimigos naturais das pragas (SILVA, 2015). Outra característica marcante na produção de café sombreado no Maciço de Baturité é quanto a adubação que ocorre com a própria palha do café e outros resíduos orgânicos deixando o solo livre de produtos químicos e agrotóxicos favorecendo a manutenção do ecossistema desempenhando um importante papel na conservação da paisagem da região através dessa prática sustentável (SEBRAE, 2017).

A espécie cultivada no maciço de Baturité em sua maioria é Arabica typica, primeira planta cafeeira introduzida no Brasil no ano de 1727, cujo cultivo é precioso no mundo, possui sabor adocicado e perfume forte, características que tem atraído compradores de vários países como EUA, Japão, Suíça, Alemanha e outras parte do mundo. No Brasil o Arabica typica sombreado só é encontrado na cidade de Taquaritinga do Norte, agreste pernambucano e no Maciço de Baturité, sertão cearense (REVISTA CAFEICULTURA, 2009).

Segundo Brasil (2015), a região do maciço de Baturité de destaca com a maior parte do café produzido no Estado do Ceará correspondendo a 69,41% da produção do café a nível estadual, onde os municípios de Mulungu, Guaramiranga, Pacoti e Baturité são os responsáveis por maior produção de café sombreado nessa região.



PERCURSO METODOLÓGICO

Adquiriu-se 08 amostras (04 em pó e 04 em grão) do café de sombra (safra 2018) produzido em diferentes sítios localizados no maciço de Baturité (Figura1). As amostras em grão foram moídas no laboratório de química analítica da Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira-Unilab-Ceará, e após padronizadas a granulometria das 08 amostras usando peneira n°30, 28 mesh, com abertura de 0,60 mm. As amostras nessa escrita são reconhecidas por Ap1, Ag1...An. Onde “Ap” são as amostras em pó e “Ag” as amostras em grão.

A escolha dos sítios e suas respectivas localizações, justifica-se por fazer parte da rota comercial do café verde, cujo empreendedorismo objetiva abrir caminhos para o desenvolvimento sustentável aproveitando a exuberância de um verdadeiro cinturão verde de 32.690 hectares, cuja área geográfica está localizada dentro de uma Área de Preservação Ambiental (APA) da serra de Baturité, no Estado do Ceará, à uma distância média da capital (Fortaleza) de 100km com acessos pela BR-020 com CE-253, CE-065 ou ainda CE-060 (SEBRAE, 2017).

Figura 1. Mapa da rota do café, Maciço de Baturité, Ceará

Fonte: SEBRAE, 2017

Para obtenção dos espectros, utilizou-se um equipamento de infravermelho próximo portátil, modelo DLP® NIRscan™ Nano Evaluation Module, Texas Instruments. A foto do equipamento é exibida na Figura 2.



Figura 2. Obtenção dos espectros das amostras por meio do infravermelho próximo

Fonte: Autor, 2019

Trata-se de um equipamento capaz de obter informações de absorção referente às vibrações de moléculas orgânicas após interagir com radiação infravermelha na faixa de 900 a 1.700 nm.

No entanto, para análise dos dados espectrais das amostras foi empregado o software The Unscrambler® 10.4X para fazer um estudo de melhor pré-tratamento dos dados.



RESULTADOS E DISCUSSÃO

Espécie

Verificou-se que das 08 amostras adquiridas para análise, todas são da espécie Arábica typica, (Tabela 1). Isso acontece devido a adaptação da espécie que só consegue se reproduzir em regiões de altitude elevada e clima ameno a exemplo da região serrana do maciço de Baturité (REVISTA CAFEICULTURA, 2009).

Segundo Barbin, et al (2014) essa espécie se destaca por seu perfil econômico, correspondendo por 60% da produção mundial, pois em geral, as bebidas “arábicas” possuem um sabor mais intenso com variações mais amplas do corpo e da acidez, o que justifica seu valor de mercado em relação a outras espécies (CORREIA et al., 2018); (REIS et al., 2014); (DIAS; YERETIZIAN., 2016).

Tabela 1. Coletas de amostras nos municípios da rota do Café, maciço de Baturité, Ceará, 2019

AMOSTRAS


Município

Espécie/variedade

Ap1


Baturité

Arábica typica

Ag1


Baturité

Arábica typica

Ap2


Guaramiranga

Arábica typica

Ag2


Guaramiranga

Arábica typica

Ap3


Mulungu

Arábica typica

Ag3


Mulungu

Arábica typica

Ap4


Pacoti

Arábica typica

Ag4


Pacoti

Arábica typica

Total: 08


04

01

Fonte: Autor, 2019



Breve análise da qualidade do café por meio da espectroscopia NIR

Foi retirado o espectro de cada amostra adquirida com o comprimento de onda 900-1700 nm. A Figura 3 possui o conjunto de todas as amostras de café sombreado em pó e grão em um gráfico de absorção (abs) versus comprimento de onda (nm).

Através da análise dos dados de absorção das amostras de café, é possível registrar as bandas de absorção, as quais, nos permite estudar características de cada ligação química envolvida, a exemplo de algumas bandas encontradas nessa análise: 1206 nm, 1367 nm e 1450 nm, representando ao grupo dos hidrocarbonetos, fenóis e álcoois primários e água, respectivamente.

Figura 3. Dados espectrais sem pré-tratamento, de 900 nm a 1.700 nm, das amostras de cafés sombreado

Fonte: Autor, 2019

Outra ferramenta possível aplicar para essa análise é a correção do espalhamento de luz também conhecido como MSC (Multiplicative Scatter Correction). Trata-se de um método que usa de equações matemáticas para ajustar a linha de base de forma em que ela não se altera, apenas elimina ruídos oriundos da reflexão da luz. O uso dessa ferramenta é útil, pois o caminho percorrido pela luz no interior de uma amostra pode ser considerado aleatório, devido a reflexões que ocorrem em partículas presente nela (SABIN, 2004). A Figura 4 apresenta os dados espectrais após o pré tratamento de MSC.

Figura 4. Dados espectrais com correção de espalhamento de luz (MSC), de 900 nm a 1.700 nm, das amostras de cafés sombreado

Fonte: Autor, 2019

Para corrigir deslocamentos provenientes de erros de amostragem ou experimentais é possível aplicar a primeira derivada. Essa Ferramenta de correção de linha de base restaura valores constantes positivos ou negativos em relação ao eixo das ordenadas (eixo Y) não alterando picos característicos do espectro, pois os detalhes espectrais não são alterados, já que a derivada quando a inclinação da reta tangente é máxima, a derivada é igual zero (FERREIRA, 2015). A Figura 7 apresenta os dados espectrais após o pré-tratamento de primeira derivada, usando equação de 2ª ordem, usando algoritmo Savitzy-Golay e janela de 7 pontos.

Figura 5. Espectros pós primeira derivada

Fonte: Autor, 2019

Adiante, também há possibilidade de representar o conjunto de amostras em um sistema de eixos, empregado através da análise dos componentes principais (PCA) que visa a organização de uma visualização envolvendo uma essência multivariada dos dados em poucas dimensões. Na exibição, as amostras são representadas por pontos em espaços de dimensões chamadas de componentes principais, sigla do inglês PCA (SOUZA, 2012).

A Figura 7 representa o gráfico de scores da PCA, onde a 1ª componente principal explicou a variância dos dados em 98% e a 2ª componente principal explicou 2%, totalizando nas 2 primeiras PCs 100% de explicação dos dados espectrais.



Figura 6. Gráfico de scores da PCA das amostras de café

Fonte: Autor, 2019

Avaliando a 1ª componente principal (PC-1) podemos verificar um comportamento de estabilidade das amostras quando relacionamos o eixo horizontal da esquerda para direita verificando uma relação de semelhanças entre as amostras em pó e grão.

Avaliando a 2ª componente principal (PC-2) a variação das amostras em relação ao eixo vertical, verificou-se uma posição oposta entre as amostras (Ag2) e (Ag4). Isso é explicado pelos diferentes tipos de ligações químicas que estão envolvidas nessas separações de padrões que pode ser avaliado pelos gráficos de pesos de cada componente principal (loadings).

Entretanto, ainda há uma maneira simples de verificar a qualidade do café, apenas com comparações entre espectros (Figura 8), onde tendo como referência a amostra (grão), coletada diretamente do produtor, compara-se à amostra (pó) que é o café comercializado pelos os produtores da região, sendo possível verificar adulteração nesse produto através das bandas espectrais.