Apresentação Escurecimento Enzimático e não enzimatico

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Escurecimento enzimático e não enzimático
Priscilla Magalhães de Lima
UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DOS ALIMENTOS
Lavras- MG
2016
Conteúdos que serão abordados:
-Reações de Escurecimento não Enzimático:
- Reação de Caramelização;
- Reação de Maillard;
- Métodos de controle;
- Oxidação do ácido ascórbico.
-Métodos de controle;
- Reações de Escurecimento Enzimático:
- Reações catalisadas pelas enzimas polifenoloxidases e peroxidades.
-Métodos de controle.
Reações de Escurecimento
Promovem escurecimento nos alimentos e podem ser: 
Reações enzimáticas ou oxidativas:
Catalisadas pelas enzimas Polifenoloxidases e Peroxidases; 
Reações não enzimáticas: 
Estão associadas ao aquecimento e/ou armazenamento, podendo ser divididas em três mecanismos principais:
Caramelização;
Reação de Maillard;
Oxidação do ácido ascórbico. (Araújo, 2012)
Introdução
 As reações de escurecimento são desejadas: 
→ Produtos de confeitaria ( Pães, bolos, assados em geral).
→ Carnes assadas
→Amendoim, batata chips
→Cafés torrados
→Cerveja escura
 Devem ser evitadas:
→leite em pó,
→ ovo em pó
→ pescado salgado seco 
→sucos de frutas;
→Frutas/vegetais minimamente processados.
Mecanismo
Requerimento de oxigênio
Requerimento de NH2
pH ótimo
Produto final
Maillard
Não
Sim
>7,0
Melanoidinas
Caramelização
Não
Não
3,0 a 9,0
Caramelo (melanoidinas)
Oxidação de ácido ascórbico
Sim
Não
3,0<pH<5,0
Melanoidinas
Fonte: Araújo, J. M.A., Química de Alimentos – Teoria e Pratica (2012).
ESCURECIMENTO NÃO-ENZIMÁTICO
Caramelização
→ Aquecimento da sacarose e açúcares redutores na ausência de compostos nitrogenados promove um complexo grupo de reações envolvidas na caramelização.
Caramelo: Moléculas grandes, estruturas complexas e desconhecidas. (Fenemma, 2010).
Caramelização em condições anidras
→ Os açúcares são estáveis ao aquecimento moderado, mas temperatura > 120 °C → desidratação dos açúcares com introdução de duplas→ anéis insaturados, que se condensam uns com os outros para produzir polímeros com cor e aroma (Araújo, 2012).
 
 → → →
 
 
Sacarose 
(160 °C)
Anidridos de glicose+anidridos de frutose
Anidridos + água
Glicose + frutose
Reação auto catalisada pela água
Hidrolisam a sacarose remanescente
Duplas absorvem luz para o aparecimento da cor
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 Caramelização
Sacarose: 
160 °C = Separação glicose + frutose
200 °C = Formação de espuma e pigmento→ 3 estágios de formação da cor:
→ 1a fase: 35 min de aquecimento→ 1 molécula de água/mol de sacarose.
→ 2a fase: 55 min adicionais→ perda de 8% do peso: sabor amargo e solúvel em água→ Caramelano
→ 3a fase: 55min adicionais→ Carameleno solúvel em água
Aquecimento adicional: humina→ Muito escuro e sabor amargo desagradável.
Caramelização
A caramelização depende:
→ TEMPERATURA : 
→ UMIDADE 
→ REATIVIDADE DO AÇÚCAR.
 
→ pH
1a Etapa:
- Glicose ou outro açúcar redutor sofre isomerização em C1 passando H de C2 para C1 → forma dienol
2a Etapa:
Etapa das desidratações: saem 3 moléculas de H2O
- Formação da ligação hemicetálica, forma o HMF 
3a Etapa: Polimerização do HMF
Caramelização em meio ácido
Meio ácido
Após a saída da 1ª molécula há uma isomerização que leva ao aparecimento de 1 isômero insaturado, altamente instável que logo se transforma em 1 isômero saturado mais estável. Aí há perda das outras 2 moléculas de água. O isômero se encolhe a ponto de formar uma ligação hemi-acetálica entre os carbonos 2 e 5. É o hidroximetilfurfural, HMF, precursor da cor. A terceira etapa é a da polimerização do HMF que dará um polímero colorido chamado melanoidina.
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1a Etapa:
- Glicose ou outro açúcar redutor sofre isomerização em C1 passando H de C2 para C1 → forma dienol
2a Etapa:
 Pode seguir a formação de HMF
Outro caminho ocorre fragmentação do enol formando compostos de 3 átomos de carbono: compostos altamente reativos
 (“Degradação de Holtamand”)
3a Etapa: Formação de polímeros apartir desses compostos →melanoidinas
Meio básico
Caramelização em meio básico
Na segunda etapa pode ocorrer a fragmentação do 1,2 enol em compostos com 3 átomos de carbono altamente reativos. Essa fragmentação é conhecida como "Degradação de Holtamand". Esses compostos são reativos, lábeis, de rápida oxidação e consequentemente escurecimento.
A terceira etapa é a formação de polímeros a partir desses compostos, levando às melanoidinas.
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Caramelização
→ Ao final da reação há predominância: 
 Ácidos como o acético e o fórmico, aldeídos como o formaldeído e o hidroximetilfurfural, diacetil, carbonilas.
 Os caramelos são usados como corantes e flavorizantes na indústria de confeitos e bebidas, como refrigerantes e cervejas.
Caramelização
Existem 4 classes de corante caramelo conhecidas:
Classe I: Claro ou cáustico (Granolas, barra de cereais);
Classe II: Sulfocáustico (Cervejas e bebidas alcoólicas);
Classe III: Amônio (Produtos de panifição, xaropes, pudins);
Classe IV: Sulfito-amônio (Refrigerantes à base de cola, bebidas ácidas, rações, doces).
REAÇÃO DE MAILLARD
Ocorre entre um grupamento carbonila de açúcares redutores ou (gordura nos peixes e carnes) e o grupo amina dos aminoácidos, em meio preferencialmente alcalino, na presença de água e calor (Fennema, 2010).
Desejável em café, bolos, pães, batata chips, carnes →confere sabor e aroma característico;
Indesejável em leite em pó, ovo em pó e produtos desidratados. (Araújo, 2012).
Escurecimento não-enzimático: Reação de Maillard 
→ Depende da quantidade e do tipo de carboidratos presentes e, em menor extensão, de proteínas e aminoácidos. 
1a Etapa:
Condensação do açúcar redutor com o aminoácido
Desidratação formando uma Base de Schiff
Rearranjo para a forma cíclica formando a glicosilamina
ETAPAS DA REAÇÃO DE MAILLARD
 Glicose Aminoácido Base de Schiff Glicosilamina Aldosilamina(Aldose)
 N-substituída Cetosilamina(Cetose)
2a Etapa (Rearranjo de Amadori) → Se o açúcar for uma aldose
 (Rearranjo de Heyns) → Se o açúcar for uma cetose
Ocorre entrada e saída de um próton (H+), inicialmente formando o catiônico da Base de Schiff
Isomerização formando a forma mais estável ceto (cetosaminas)
2-amino-2-deoxi-1-aldose N-substituída 
 ↓
 aldosamina
 Heyns
3 etapa: Conversão destes produtos em HMF: o HMF reage com os compostos iniciais, polimeriza-se e forma melanoidinas
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3a Etapa:
Conversão destes produtos em HMF: o HMF reage com os compostos iniciais, polimeriza-se e forma melanoidinas.
Degradação de Strecker: 
Compostos α-dicarbonila reagem com aminoácidos, produzindo sua degradação;
 Ocorre produção de CO2 → Pode provocar estufamento de latas
Aldeídos de Strecker reagem com compostos de Maillard→ Ocorre produção de compostos voláteis aromáticos como as pirazinas.
Produto final→ Terá aroma característico de acordo com o aminoácido presente:
Arginina → pipoca, pão.
Valina → chocolate
Glicose + histidina → Sabor de manteiga
Cisteína , cistina e metionina → Café 
 → Café: Mais de 800 compostos voláteis presentes, dentre eles substâncias do grupo das pirazinas, furanonas, sulfetos, dissulfetos, tiofenos e tiazóis são de grande importância, irão compor o aroma típico do café torrado (Pimenta, 2003).
Principais estágios da reação de Maillard
Açúcar redutor + Amina (aminoácido ou proteína)
( Aldosilamina ou cetosilamina) 
Cetosamina (aldosamina)
Rearranjo de Amadori ou Rearranjode Heyns
CO2
NH3
Polímeros marrons + Polímeros voláteis e odorosos
Fonte: Cheftel, 1992
Compostos muito reativos
Amina
Temperatura;
Ph → Ideal (6-7)
Natureza do carboidrato: Pentose>hexose>dissacarídeos
Natureza do aminoácido 
Aw= 0,5 a 0,8
Catalisadores: ânions e íons metálicos 
FATORES QUE AFETAM A REAÇÃO DE MAILLARD
Velocidade dupilca a cada aumento de 10 graus na temperatura entre 40 a 70 graus. Em ph acido a forma protonada do nh2 elilmina a nucleofiliccidade retardando a reação com o açúcar.Velocidade máxima próxima o ph de 6-7.ph alcalino há rápida degradação do carboidrato independente Da presença do aa. Velocidade em monossacarideos > dissacarídeos hexoses e pentoses.> lisina>ac glutamico.íos fosfato e citrato.
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CONTROLE DO ESCURECIMENTO
→Sulfitos: bloqueiam a carbonila de açucares redutores e previnem a condensação dos compostos inibindo a reação de Maillard.
→O SO2 pode levar ao sabor e odor desagradáveis e a destruição da vitamina B1 no alimento;
→Uso de açúcares não redutores;
→Redução da aw ou diluição.
Perdas nutricionais
Perda da qualidade protéica → Degradação da lisina;
Compostos tóxicos → HMF e acrilamida
Inibição de enzimas digestivas;
Interfere no metabolismo de minerais, mediante a complexação com metais.
Acrilamida
→ Neurotóxica;
→ Açúcar redutor + L-asparagina submetida à temperatura elevada no aquecimento, baixa umidade e PH ótimo de 5,5 e 7,0;
→ Encontrada: Batata frita e chips, derivados de cereais (pão, torrada, biscoito) e café. 
→Tmin : 1300C;
Fonte: Damodaran et al., 2010
Ph menor que 4 protonação do grupo amina da asparagina impedindo a reação de formação.
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Ácido ascórbico
Nutriente essencial (Vitamina C);
Ingrediente/aditivo;
Antioxidante;
Inibe escurecimento enzimático;
Oxidação do ácido ascórbico
→ Alimentos que contenham ácido ascórbico ou Vitamina C. 
→ Sucos de frutas cítricas; 
→ Pode ocorrer em condições aeróbicas ou anaeróbicas → escurecimento, descoloração de pigmentos endógenos, perda ou mudança do sabor ou do odor, e mudança na textura. 
Oxidação do ácido ascórbico
→ A principal causa da degradação do AA é a oxidação, levando à formação de furaldeídos, compostos que polimerizam facilmente, com formação de pigmentos escuros (BOBBIO, 1992).
→ Ocorre em alimentos ácidos na faixa de pH =2,5 a 3.
 
 
 
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Oxidação do ácido ascórbico
O ácido ascórbico (Vitamina C) oxida-se em solução aquosa por processos enzimáticos e não enzimático, especialmente :
Exposição à luz, calor e ao oxigênio;
Presença de íos metálicos : Cu++e Fe3+ 
Umidade; 
Presença de enzimas peroxidase e ácido ascórbico oxidase;
em meio de baixa umidade a destruição é função da atividade de água. Na ausência de catalisadores, o ácido ascórbico reage lentamente com o oxigênio. 
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Oxidação do ácido ascórbico
ÁCIDO ASCÓRBICO
DEIDROÁCIDO ASCÓRBICO 
ÁCIDO DICETOGULÔNICO
FURFURAL
MELANOIDINAS
O2
H+, O2, ∆
Polimerização
+CO2, +H2O
Aldeído muito ativo, poderá combinar-se com grupos amino e chegar à reação de “Maillard” (Oetterer, 2004). 
Porém é tipica de meio alcalino, podendo acontecer em repolhos desidratados.
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Fonte: RIBEIRO; SERAVALLI, 2007. 
Representação da reação de oxidação do acido ascórbico 
Oxidação do ácido ascórbico a dehidroascórbico e de hidrólise deste a ácido 2,3dicetogulônico que perde 2 moléculas de água e 1 molécula de co2 chegando ao furfural (tendencia a polimerização e forma melanoidinas).
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Oxidação do ácido ascórbico
 
Ácido ascórbico-------------------> Deidroácido ascórbico + H2O2
Ác. Asc.oxidase 
 Peroxidase
 A velocidade da oxidação aeróbica é dependente do pH:
. Meio Alcalino → + rápida e com > degradação;
. Meio Ácido → H+ catalisa a decomposição do A.A. pela hidrólise do anel de lactona
Destruição da Vit. C
Com adicional descarboxilação e desidratação ocorre a formação do furfural e de ácidos.
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Oxidação do ácido ascórbico
→ Degradação anaeróbica do ácido ascórbico: Complexo, não é totalmente definido e compreendido (Fenemma, 2010).
→ Independe do PH, ↑ PH = entre 3 e 4, aceleradores: frutose, frutose-6-fosfato, sacarose e frutose caramelizada → Produto: Furfural e CO2. (Araújo, 2012).
Degradação anaeróbica é complexo e ainda não e totalmente definido e compreendido. 
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Conteúdo de ácido ascórbico em frutas e vegetais
Vegetais
Frutas
Aspargo 15-30
Abacate 13-37
Batata 10-30
Abacaxi 20-40
Brócolis 90-150
Acerola 1300
Repolho 30-60
Caju 200-300
Couve-Flor 60-80
Goiaba 200-300
Cenoura 5-10
Banana 5-10
Cebola 10-30
Limão/Laranja 50-80
Ervilha 10-30
Maçã 10-30
Pimentão 125-200
Maracujá20-30
Tomate 10-30
Melão 10-33
Espinafre 50-90
Morango 40-90
Pêssego 7-14
ÁC. ASCÓRBICO mg/100g)
(Araújo, 2012).
Concentação varia com condições de crescimento, maturação e tratamento pós-colheita.
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Controle do escurecimento
Armazenamento em baixas temperaturas e na ausência de luz;
Rápido pré-aquecimento (destruir enzimas oxidantes);
Adição de sulfito;
O sulfito adicionado reduz o H2O2 formado pela oxidação do A.A. na presença de Cu++, protegendo indiretamente o A.A. da oxidação;
SO2 + DAA -> DAA-SO2 : previne sua participação nas reações de E.N.E.
So2 forma produto de adição prevenindo sua participação em reações de escurecimento. Interrompe reação de formação de compostos carbonilicos (furfural). 
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Reações de escurecimento em alimentos
Leite e Derivados:
Proteínas: caseína, lactoalbumina e lactoglobulina e o açúcar lactose
No tratamento térmico, ocorre alteração de cor, além da destruição da lisina (pasteurizado – 3%; esterilizado – 8 a 12%);
Carne e Derivados
→ Nas carnes e nos peixes reagem a mioglobulina, a miosina e a actina e como fonte de carbonilas, as gorduras (Oetterer, 2006).
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Reações de escurecimento em alimentos
Batata: 
Glicose + asparagina = Ciclâmen que se polimeriza durante a fritura (Araújo, 2012).
Peixes: 
Na secagem, pode ocorrer o ranço oxidativo, liberando peróxidos altamente reativos ou malonaldeídos que fornecem carbonilas que reagem com a proteína do peixe, particularmente a lisina, com escurecimento além do desejado. 
Escurecimento enzimático
Escurecimento enzimático
Danos mecânicos, fissuras na superfícies, coloração indesejada
Indesejáveis a frutas e hortaliças
Colheita
Transporte
Processamento
Comercialização
Rejeitadas pelo consumidor
 Escurecimento enzimático
Resposta a injúrias físicas e fisiológicas (impactos, cortes, “chilling”) como resultado da oxidação de compostos fenólicos. 
Formação de pigmentos escuros, acompanhado de mudanças indesejáveis e organolépticas → Redução da vida útil e valor de mercado.
O escurecimento enzimático de frutas inicia-se em resposta a injúrias físicas e fisiológicas (impactos, abrasões, “chilling”, excesso de CO2, armazenamento inadequado, embalagem imprópria) como resultado da oxidação de compostos fenólicos que irá resultar polímeros coloridos (muitas moléculas de aminoácidos). As lesões levam ao colapso celular e à consequente descompartimentação dessas células, promovendo o contato dos compostos fenólicos com enzimas associadas ao escurecimento 
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 Escurecimento enzimático
→ Causado principalmente pelas enzimas Polifenoloxidase (PPO).
Responsável por 50% das perdas de frutas tropicais no mundo.
Provoca alterações sensoriais e nutricionais (WHITAKER e LEE 1995).
Pode ser desejável em passas, chás, cacau e cidra de maçã. (Fennema,2010).
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Escurecimento enzimático
As lesões levam ao colapso celular e à consequente a descompartimentação dessas células, promovendo o contato dos compostos fenólicos com enzimas associadas ao escurecimento (PORTE e MAIA, 2001; VILAS BOAS, 2002b).
Contêm um anel aromático com um ou mais grupos hidroxilas, juntamente com outros substitutos (MARSHALL, KIM e WEI, 2000).
A composição fenólica de frutas e hortaliças é variável de acordo com espécie, cultivo, grau de amadurecimento e condições ambientais de desenvolvimento e armazenamento.(MARSHALL, KIM e WEI, 2000).
O tipo e a concentração do substrato fenólico afetam diretamente o escurecimento enzimático (MARTÍN-BELLOSO e SOLIVA-FORTUNY 2006). 
Enzimas procedentes de distintas fontes diferem em sua atividade relativa diante de substratos específicos → Por isso alguns vegetais escurecem mais rapidamente que outros.
Compostos Fenólicos
Varia de acordo com espécie, cultivo, grau de amadurecimento e condições ambientais de desenvolvimento e armazenamento. PPOs possuem especificidade pouco estrita.
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Produto
Substrato
Maçã
Ácidoclorogênico, o-catequina
Cacau
Catequinas
Café
ÁcidoClorogênico, ácidoCaféico
Batata
Tirosina, ácidoClorogênico
Chá
Flavonóides,catequinas, taninos
Pêssego
taninos
Pêra
ÁcidoClorogênico
Fonte: ARAÚJO (1999).
SUBSTRATOS ENDÓGENOS PARA PPO EM VEGETAIS
 Escurecimento Enzimático
Mecanismo de ação enzimática
Polifenoloxidase (PPOs): Possui cobre (Cu++) no centro ativo e atua como oxidase de função mista, catalisando dois tipos de reações (Araújo, 2012):
Monoxigenase → Hidroxilação de monofenóis para diidroxifenóis: 
Oxidase→ Oxidam diidróxifenóis para o-quinona: 
Monofenóis: tirosina, fenol, ortocresol. Monoxigenase: cresolase Oxidase: catecolase diidróxifenóis: catecol
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Escurecimento enzimático
Oxidam Compostos fenólicos a o-quinonas na presença de oxigênio molecular. 
Mecanismo de ação da Polifenoloxidase
Graças à especificidade de vários substratos, a PPOs é as vezes denominada tironase, fenolase, catecol oxidase, catecolase e cresolase (Araújo, 2012).
A PFO compreende duas enzimas distintas, cuja diferença está relacionada à especificidade aos substratos. A primeira, denominada lacase, não atua sobre monofenóis e têm ação restrita à oxidação de orto e para-difenóis. Enquanto que a segunda denominada tirosinase, cresolase, catecol oxidase, fenolase ou orto-difenol oxidase é destacada como a mais importante, pois ela é a responsável pelo escurecimento oxidativo dos
tecidos, principalmente, de frutas e hortaliças, catalisando a hidroxilação de monofenóis (atividade cresolase) e a subseqüente oxidação do orto-difenol resultante em orto-quinonas
(atividade catecolase).
As PFO’s além da ocorrência, de forma geral, em tecidos veget
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Escurecimento Enzimático
Desejável: 
→ Passas, cacau e chás fermentados; 
→ Tecidos impregnados com polímeros (quinonas): Barreiras para infecções formando uma defesa contra M.O. ou retardando sua proliferação.
→ Sela os tecidos infectados;
→ Efeitos bactericidas e fungicidas dos fenólicos polimerizados;
→ Porém tais substâncias conferem características comerciais e nutricionais indesejáveis (Chitarra & Chitarra, ).
quanto maior a atividade da enzima polifenoloxidase maiores concentrações de produtos tóxicos da oxidação serão obtidos, os
quais conferem a resistência às infecções. em sua constituição química enzimas como a polifenoloxidase que, em contato com substratos fenólicos mediante manejo inadequado, proporcionam alterações indesejáveis. Tais alterações constituem a formação de quinonas, compostos amarronzados que prejudicam a qualidade da bebida
(GOURLAT, 2003).
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Peroxidases
→ As peroxidases (POD) têm atividade de oxidação de compostos fenólicos em presença de peróxido de hidrogênio. 
→ São obtidas quinonas como produto as quais são instáveis e após a oxidação não enzimática na presença de O2 polimerizam-se formando as melaninas (CHITARRA, 2002).
→ Podem causar alterações indesejáveis, como desenvolvimento de sabor desagradável, alteração da cor e textura e /ou redução do valor nutricional.
→ Termo resistentes; 
Peroxidases
→Na reação que envolve a peroxidase, o doador de elétrons pode ser o ascorbato, as aminas e outros compostos orgânicos, tais como os fenóis;
→Seu	envolvimento	é	mais	plausível	em	processos	lentos	como o escurecimento interno de frutas.
Ação da peroxidase sobre compostos fenólicos
Controle do Escurecimento Enzimático
Temperatura (0 a 4ºC) → Longe do ponto ótimo das enzimas;
→ Manejo da temperatura deve ser efetuado com cautela para que não ocorram problemas como as injúrias causadas pelo frio (“chilling”), ou perda de textura em tratamentos hidrotérmicos mais severos capazes de inativar os sistemas enzimáticos; 
Dificultando o acoplamento enzima-substrato, pela redução da energia cinetica das moleculas. Evitar congelamento lento: formam cristais que podem romper as celulas vegetais promovendo o contato dos compostos fenólicos com as PPOs e PDOs. Filmes: bom complemento ao efeito da atm modificada, baixa permeabilidade a gases, restringe o acesso do oxigenio ao tecido (polissacarideos). Lipideos: baixa permeabilidade ao vapor d´água.
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Controle do Escurecimento Enzimático
Modificação da atmosfera → concentração de O2 reduzida;
Controle do Escurecimento Enzimático
Agentes químicos: 
→ Redutores: Sulfitos, ascorbatos/citrato de sódio, eritorbatos, EDTA. 
 → Acidulantes: ↓ o PH, abaixo do ponto ótimo da enzima. Grupos ionizáveis da estrutura proteica da proteína são afetados pelo PH do meio.
Redutores: reduzem quinonas a difenóis (sem cor) ou reagem irreversivelemente formando compostos estáveis e sem cor. Esses grupos precisam estar na forma ionica apropriada para manter a conformação do sitio ativo da enzima, reconhecer os substratos e catalisar a reação.
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Controle do Escurecimento Enzimático
→ Quelantes ou complexantes: Removem os metais dos centro ativo das enzimas, inativando-as. Ex: EDTA, ácido sórbico.
→ Irradiação: Radiação ionizante pode afetar a conformação estrutural proteica das enzimas ou modificando seu centro ativo pela redução do íon metálico.
→ Adição de açúcares: Adição de açúcares diminui a aw do tecido e reduz a entrada de O2. 
Etileno diamino tetracético, 
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Escurecimento enzimático na indústria
Maturação de tâmaras;
Preparo de cidras;
Fermentação de chá
Secagem de grãos de cacau;
Desenvolvimento de sabor e cor do chá e cacau;
Conclusão
As reações de escurecimento são de extrema importância em alguns casos, sendo responsáveis pelo sabor, aroma e aparência de muitos alimentos, porém em várias situações são indesejáveis, afetando negativamente a qualidade, sendo crucial o conhecimento de métodos para evitá-las. 
Dúvidas??
Referências Bibliográficas
ARAÚJO, J. M. A. Química de alimentos: teoria e prática. 2. ed. Viçosa: UFV, 1999. p. 319-329.
CHITARRA, A. B.; PRADO, M. E. T. Utilização de atmosfera modificada e controlada em frutos e hortaliças. Lavras: UFLA/FAEPE, 2002. p. 13-15, 23-25, 40-42.
VILAS BOAS, E. V. B. Qualidade de alimentos vegetais. Lavras: UFLA/FAEPE, 2002b. p. 59.
Obrigada!!!