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04/06/2017 1 Professor: MSc. Gustavo Krahl BROMATOLOGIA NIRS Análise de minerais Cálculos Espectroscópio de refletância no infravermelho próximo (NIRS) NEAR INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY (NIRS) • Princípios: • Os compostos orgânicos absorvem energia eletromagnética na região do infravermelho (IV). • Em suas absorções vibracionais, as ligações covalentes se comportam como se fossem elásticas. • "O espectro no IV tem sido comparado a uma impressão digital da molécula" (Vogel, 1992; citado por Saliba et al., 2003). Espectroscópio de refletância no infravermelho próximo (NIRS) NEAR INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY (NIRS) • Princípios: • O espectroscópio de refletância no infravermelho próximo (NIRS) é constituído de: • Câmara de leitura ótica; • Software para tratamentos matemáticos que, por meio de curvas espectrais dentro da faixa do infravermelho (700-2.500 nanômetros), gera equações para estimar valores de qualidade. • Aliado a um software estatístico, permite a identificação, qualificação e quantificação de compostos orgânicos nos alimentos. Infravermelho-próximo • Infravermelho-próximo é o nome dado à região do espectro eletromagnético imediatamente superior à região visível em termos de comprimento de onda, ou seja, trata-se da região do infravermelho “mais próxima” da região visível. • Luz é uma forma de onda eletromagnética que se propaga em determinado espaço em forma de energia. • As ondas eletromagnéticas são designadas pela frequência e comprimento de onda (Tabela 1). • O espectro eletromagnético entre 390 e 900 nanômetros (nm) determina o espectro da luz. • A região do infravermelho (IV) estende-se dos 3x1011 Hz até aproximadamente os 4x1014 Hz e é subdividida em três regiões: • IV-próximo (i.e., próximo da luz visível: 780 – 2500 nm). • IV-intermédio (2500 – 50000 nm). • IV-longínquo (50000 nm – 1 mm). 04/06/2017 2 Comprimento x Frequência Técnica • A técnica baseia-se no princípio de que diferentes ligações químicas na matéria orgânica absorvem ou emitem luz de comprimentos de onda diferentes quando a amostra é irradiada. • As ligações N-H, O-H e C-H que são fortemente absorvidas pela radiação próxima ao infravermelho. • Assim, amostras com elevados níveis de proteínas (muita ligação N- H) absorvem mais em regiões de ligação amino do que amostras com baixo nível de proteína. • Por outro lado, amostras com elevados níveis de umidade ou açúcar, terão absorção mais elevada na região associada com hidroxilas (OH). Composto Químico vs. Comprimento de Onda Fonte: Dryden (2003). Entidade Química Comprimento de Onda (nm) Comp. Aromáticos, lignina 1143 Ligações de amido 1496, 1668, 1976 Taninos condensados 1660-1670, 1720-1730, 2100- 2200 Ligações éster 1772 Água 1930 Proteína 1960-2180 Ligações peptídicas 2140, 2180 Celulose 2088, 2410-2460 Hemicelulose 2380 Amido 2461 Transmitância x Refletância Transmitância (NIT) Refletância (NIR) Fonte de Luz D e te c to r D e te c to r F o n te d e L u z 04/06/2017 3 Potencial de Utilização do NIRS NIRS Alimentação 04/06/2017 4 Seca e moída Seca e não moída Não seca e não moída Foss NIRSystem 5000-6500 Características e Benefícios • Permite a transferência e reutilização de calibração para vários instrumentos; • Assegura a integridade e a identificação automática de amostras; • É rápido (as análises estão prontas em 15 a 40 segundos); • Não é necessário preparar as amostras; • Reduz os erros do operador e aumenta o rendimento da análise. Características e Benefícios • O instrumento é operado por um computador através de um programa de software, onde é possível ter acesso às mais recentes tecnologias de calibração com informações e com capacidade e habilidade de troca de dados. • O aparelho NIRS é programado com o máximo de confiança analítica e uma adequada transferência dos dados para as indústrias de alimentos e rações. Essa transferência permite uma eficiente operação na network quando é necessário repartir informações com outros instrumentos, com um mínimo de custeio. • Quando o copo de amostra é colocado no instrumento, o software lê todas as suas informações, permitindo uma seleção automática para calibração antes do começo da análise. O copo pode ser carregado com um número de identificação e código do produto, juntamente com outros dados definidos pelo usuário ou operador. 04/06/2017 5 Vantagens • O NIRS oferece várias vantagens importantes sobre os métodos convencionais tais como: • Medidas frequentes e rápidas; • Preparação rápida e simples das amostras; • Compatibilidade de uso em conexões on-line e; • Determinação simultânea de diferentes atributos. Desvantagens • Como as desvantagens principais do método destacam-se: • sua dependência em método de referência; • fragilidade para componentes menores • transferência limitada de calibração entre instrumentos diferentes e interpretação de dados espectral complicada Aplicação Aplicação Uso de uma Calibração Espectro de uma Amostra Desconhecida Predição Calibração 04/06/2017 6 R2 da Calibração do NIRS para os Teores de PB, FDA e FDN PB FDN FDA LDA Norris et al., 1976 0,99 0,98 0,96 0,96 Burdick et al., 1981 - - - - Marten et al., 1983 0,99 0,94 0,98 0,96 Valdez et al., 1985 0,93-0,95 - 0,75- 0,92 - Petersen, 1986 0,97 0,97 0,96 - Brown & Moore, 1987 0,73-0,98 0,70-0,95 0,92 0,87 Flinn & Murray, 1987 0,83-0,98 0,90-0,96 - - Brown et al., 1987 0,92 0,82 - - Pires & Prates, 1997 0,96 0,95 0,96 0,90 Rodrigues, 1998 0,97 0,95 0,97 0,94 Na (n=70) Observado vs. Predito pelo NIRS N a ( g /k g ) - N IR S Na (g/kg) - Químico Fonte: Cozzolino & Moron (2004). B (n=70) Observado vs. Predito pelo NIRS B ( m g /k g ) - N IR S B (mg/kg) - Químico Fonte: Cozzolino & Moron (2004). S (n=70) Observado vs. Predito pelo NIRS S ( g /k g ) - N IR S S (g/kg) - Químico Fonte: Cozzolino & Moron (2004). PB Observada vs. Predita em Silagens de Milho Fonte: UW Corn Silage Breeding Program (2004). P B ( % ) - N IR S PB (%) - Laboratório Amido Observado vs. Predito em Silagens de Milho Fonte: UW Corn Silage Breeding Program (2004). A m id o ( % ) - N IR S Amido (%) - Laboratório 04/06/2017 7 FDN Observada vs. Predita em Silagens de Milho Fonte: UW Corn Silage Breeding Program (2004). F D N ( % ) - N IR S FDN (%) - Laboratório DViv Observada vs. Predita em Silagens de Milho Fonte: UW Corn Silage Breeding Program (2004). D IV ( % ) - N IR S DIV (%) - Laboratório DMO in vivo vs. NIRS em Gramíneas Tropicais D M O - N IR S DMO - in vivo Fonte: Boval et al. (2004). Relação entre os Dados da Análise Convencional vs. NIRS (calculado dos tempos preditos) para Kd da FDN em Milho Fonte: Jung et al. (1998). N IR S – K d ( h -1 ) Convencional – Kd (h-1) Metionina Observada vs. Predita em Soja (análise de referência n=125) Fonte: Goodson & Fontaine (2005). N IR S Laboratório Lisina Observada vs. Predita em Soja (análise de referência n=125) Fonte: Goodson & Fontaine (2005). N IR S Laboratório 04/06/2017 8 APLICAÇÕES PRÁTICAS • Em quais situações é viável? • R$ 350.000,00 o equipamento mais curvas. • Alto fluxo de matéria prima; • Necessidade de ajustes constantes; • Custo : Benefício; APLICAÇÕES PRÁTICAS • Alimentos secos e moídos; • Alimentos in natura; • Fixos e portáteis; • Sólidos e Líquidos; • Pesquisax Prática; ? NIR no recebimento de matérias primas ? 1. Recebimento – controle de ingredientes • Controle e planejamento de produção • Segregação de matérias primas para otimizar a produção • Rejeição de matérias primas fora de especificação • Monitoramento de fornecedores através de análises descriminantes dos ingredientes NIR na dosagem? 2. No dosador – controlando a mistura • Detecção de problemas na pesagem • Identificação de matérias primas incorretas ou inadequadas • Diminuição potencial de rações fora de especificações • Ajuste exato de ingredientes líquidos ( gorduras e/ou umidade) NIR nos resfriadores? 3. Depois da extrusão – controle da qualidade • Detecção de problemas na pesagem • Identificação de matérias primas incorretas ou inadequadas • Determinação da homogeneidade da produção • Composição dos ingredientes conforme especificações do produto final • Criação de documentação para gerenciamento da qualidade e laudos para clientes finais NIR na expedição? 4. No carregamento – controle antes da entrega • Monitoramento da qualidade de suas matérias-primas e os seus processos • Detecção de problemas no carregamento • Verificação do produto final conforme especificação da rotulagem • Checagem do tipo de ração conforme pedido de carregamento 04/06/2017 9 04/06/2017 10 Determinação de minerais Determinação de minerais • A determinação de minerais em amostras de alimento pode ser quantificada por espectrofotometria com relativa precisão. • A análise de macro e microminerais é realizada por digestão nitroperclórica seguida de leitura em espectrofotômetro de absorção atômica com base em curvas-padrão construídas para cada elemento. • Solução nitro-perclórica (2:1) Adicionaram-se 200 mL de ácido nítrico 65% e 100 mL do ácido perclórico 70% a uma proveta graduada de 500 mL. Determinação de minerais • Os macrominerais (cálcio-Ca, fósforo-P, magnésio-Mg, potássio-K, cloro- Cl, sódio-Na e enxofre-S) são expressos em porcentagem (%); • Os microminerais (ferro-Fe, zinco-Zn, manganês-Mn, iodo-I, selênio-Se, cobre-Cu, cobalto-Co e cromo-Cr) na base de miligrama por quilo de alimento (mg/Kg) ou em parte por milhão (ppm). • As análises mais comuns são para determinação de Ca e P, pois representam 70% do total de minerais encontrados no corpo do animal, sendo que 90% destes estão presentes nos ossos e dentes. Conceitos gerais “A espectrometria de absorção atômica (AAS) é um técnica espectroanalítica para determinações quantitativas de elementos baseada na absorção da radiação por átomos livres no estado gasoso”. 04/06/2017 11 Ex: Fe e Zn • Para a realização da leitura de Fe e Zn, calibrou-se o equipamento selecionando-se os comprimentos de onda no UVVIS a 248,3 nm e 213,9 nm, respectivamente. RESUMO PARA CÁLCULOS Fracionamento dos CHO Estimativa do valor energético dos alimentos Fracionamento dos Carboidratos dos alimentos 04/06/2017 12 CARBOIDRATOS TOTAIS • Inicialmente temos os carboidratos totais (CHOT): • Onde: • PB = proteína bruta (%MS) • EE = extrato etéreo (%MS) • MM = matéria mineral (%MS) 1 CARBOIDRATOS NÃO FIBROSOS • Equação recomentada, com FDN corrigido para Proteína; CNF = 100 - (PB + EE + FDNc + MM) • Onde: • PB = proteína bruta (%MS) • EE = extrato etéreo (%MS) • MM = matéria mineral (%MS) • FDNc = FDNc (na MS) = FDN – (NIDN x 6,25) ou • FDNc (na MS) = FDN – PIDN • Onde: NIDN ou PIDN são apresentados em % da MS 2 Fracionamento dos CHO • Usando as equações de Sniffen et al. (1992) conforme descrito abaixo se pode caracterizar as diferentes frações em percentagem dos CHOT. 1) C = FDN (%MS) x 0,01 x Lignina (%FDN) x 2,4 2) B2 = FDN (%MS) – (PIDN (%PB) x 0,01 x PB (%MS)) – C 3) CNF = CHOT – B2 – C 4) B1 = [Amido (%CNF) x CNF] / 100 5) A = CNF – B1 3 4 5 6 7 Fracionamento dos CHO • FDN (%MS) = FDN em relação a MS. • Lignina (%FDN) = lignina em relação ao FDN. • PIDN (%PB)= PIDN (NIDN x 6,25) em relação a PB. • PB (%MS) = proteína bruta em relação a MS • Amido (%CNF) = amido em relação aos carboidratos não fibrosos • CNF = carboidratos não fibrosos. Estimativa do valor energético dos alimentos para ruminantes SISTEMA NDT • O calculo do NDT considera que os lipídeos contem 2,25 vezes mais energia que carboidratos e proteínas. • Os valores 2,25: 1: 1 significam 9: 4: 4, ou seja, 9 kcal/g para lipídeos e 4 kcal/g para carboidratos e proteínas. • Estes valores foram obtidos com humanos e são dos valores calóricos fisiológicos. NDT = PBD + FDND + CNFD + (EED x 2,25) Fórmula geral 8 04/06/2017 13 Cálculo baseado em NDT1x (Mantença) • NRC (2001) estima os valores de NDT de duas formas. • A primeira estimativa e feita no consumo de matéria seca para atender a mantença (NDT1X); • A segunda para consumo múltiplo da mantença. • Para consumo de matéria seca acima da mantença ocorre uma redução na digestibilidade dos componentes da dieta e, consequentemente, uma redução do NDT. • Existe um fator de correção: Cálculo baseado em NDT1x (Mantença) Os cálculos a seguir são utilizados para determinar o valor energético de todos os alimentos que não são classificados como alimentos para bezerros ou como vitamina/mineral. Cálculo baseado em NDT1x (Mantença) • A formula geral para o calculo do NDT em consumo de mantença é: NDT1X(%) = PBdig + (EEdig x 2,25) + CNFdig + FDNdig – 7 onde: 7 = NDT metabólico fecal; Para os cálculos solicitados, deve-se utilizar esta equação proposta. 9 CNF digestível %MS 10 CNF digestível PB digestível %MS %MS 11 04/06/2017 14 EE digestível **Obs.: Se o teor de EE for brevemente acima de 3%, pode-se utilizar esta fórmula. 12 FDN digestível Ambos em %MS 13 Cálculo baseado em ED1x (Mantença) • A formula geral para o calculo do NDT em consumo de mantença é: ED1X (Mcal/kg) = (PBdig x 0,056) + (EEdig x 2,25) + (CNFdig x 0,056) + (FDNNdig x 0,056) – 0,3; onde: 0,3 = energia digestível metabólica fecal; Para os cálculos solicitados, deve-se utilizar esta equação proposta. 14 Equações Gerais ED (Mcal/kg de MS) = 0,04409 x NDT (%); EM (Mcal/kg de MS) = 0,82 x ED; ELm (Mcal/kg de MS) = -1,12 + 1,37EM - 0,138EM² + 0,0105EM³; ELg (Mcal/kg de MS) = -1,65 + 1,42EM - 0,174EM² + 0,0122EM³; 15 16 17 18 EM de acordo com nível de EE • Se EEtotal ≥ 3, então: EMP = (1,01 x ED) – 0,45 + (0,0046 x (EE – 3)) ELL = (0,703 x EM) – 0,19 + ((((0,097 x EM) + 0,19) / 97) x (EE – 3)) • Se EEtotal < 3, então: EM = (1,01 x ED) – 0,45 ELL = (0,703 x EM) – 0,19 Onde: - EMP = Energia metabolizável para produção; - ENL = Energia líquida para lactação; - ED = Energia digestível; - EE = Extrato etéreo; 19 20 21 22
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