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BATATA-DOCE (Ipomoea batatas (L) Lam): MATÉRIA-PRIMA ALTERNATIVA PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL

José Carlos Feltran1

Teresa Losada Valle2

1 INTRODUÇÃO

Atualmente a alternativa energética para a nova crise do petróleo reside na agricultura devido à produção de matérias-primas adequadas à produção de biocombustíveis como etanol e biodiesel. O etanol pode ser produzido de várias matérias-primas agrícolas, desde que contenham carboidratos fermentescíveis (açúcares e amido). Por outro lado, os biocombustíveis também podem ser produzidos por outras matérias-primas e resíduos, cujo componente principal é a celulose, porém restrições tecnológicas ainda inviabilizam economicamente este processo.

Várias culturas têm potencial para a produção de etanol, destacando-se as que armazenam açúcares e amido. Com relação às culturas que armazenam açúcares, a cana-de-açúcar domina completamente o cenário, principalmente no Brasil. Em 2006 esta cultura ocupou área superior a 7 milhões de hectares (MAPA, 2008) de onde foram produzidas mais de 426 milhões de toneladas de cana-de-açúcar (UNICA, 2008). Deste total, foram produzidas aproximadamente 17,9 bilhões de litros de álcool, considerando a anidro e o hidratado e 30,7 milhões de toneladas de açúcar (MAPA, 2008). Sem dúvida trata-se de um complexo produtivo impressionante, porém com a matriz energética centrada apenas em uma cultura.

A principal matéria-prima amilaćea para a produção de etanol, principalmente nos Estados Unidos, é o milho, porém o uso desta matéria-prima apresenta restrições, tais como o baixo valor do balanço energético (Shapourri et al., 1995; Shapouri et al., 2002), a vulnerabilidade a estresses ambientais, a necessidade de elevado uso de insumos e a competição com o uso alimentar.

Assim, como estratégia de segurança para a matriz energética torna-se necessário o uso de outras matérias-primas para a produção de etanol. Neste contexto a mandioca e a batata-doce, culturas amiláceas, podem ser matérias-primas alternativas à cana-de-açúcar. Estas, são culturas de grande potencial produtivo e energético, adaptadas ao clima tropical e sub-tropical e não apresentam as restrições do milho. Caracterizam-se pela rusticidade, baixa necessidade de uso de insumos e alta produtividade de energia (carboidratos) por área, sendo as principais fontes de alimentos em países com baixo índice de desenvolvimento. Porém, também são culturas que podem ser incorporadas à grandes projetos agrícolas necessitando de adequação no manejo fitotécnico da cultura com genotipos específicos para energia que não competem com a produção de alimentos. Outro ponto positivo do uso destas culturas na produção de etanol seria a possibilidade de cultivo consorciado de mandioca e batata-doce sem prejuízos na produção de cada cultura (Mattos & Souza, 1987), fato que poderia incrementar a produtividade de amido por hectare.

Este texto tem o objetivo de relatar o potencial da utilização da batata-doce com matéria-prima alternativa para a produção de biocombustíveis, em especial de etanol.

2 CARACTERÍSTICAS DA BATATA-DOCE

A batata-doce é uma planta de elevado valor econômico e alimentício (Tabela 1), sendo

1 Pesquisador Científico – Instituto Agronômico – Centro de Horticultura / Seção Raízes e TubérculosAv. Barão de Itapura, 1481; Campinas-SP; (19) 3241-5188 ramal 426. E-mail: feltran@iac.sp.gov.br

2 Pesquisador Científico – Instituto Agronômico – Centro de Horticultura / Seção Raízes e TubérculosAv. Barão de Itapura, 1481; Campinas-SP; (19) 3241-5188 ramal 426. E-mail: teresalv@iac.sp.gov.br

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uma das fontes de segurança alimentar de inúmeras populações, principalmente daquelas situadas em regiões pobres. Trata-se de uma cultura rústica e adaptada às condições tropicais e subtropicais e com grande potencial para o desenvolvimento tecnológico, sendo originária das regiões tropicais da América Central e do Sul.

Tabela 1: Composição nutricional média da batata-doce (Ipomoea batatas), do taro (Colocasia esculenta) e do inhame (Dioscorea alata).

Composiçãobatata-doce taro inhame

Ipomoea batatas

Colocasia esculenta

Dioscorea alata

Umidade (%) 71,1 69,1 77,3

Energia (kJ 100g-1) 438 480 347

Proteína (%) 1,43 1,12 2,15

Amido (%) 20,1 24,5 16,7

Açúcar (%) 2,38 1,01 1,03

Fibra (%) 1,64 1,46 1,88

Minerais (mg 100g-1)

Cálcio 29 32 8,2

Fósforo 51 70 38

Magnésio 26 115 17

Sódio 52 1.8 3,3

Potássio 260 448 318

Enxofre 13 8,5 12

Ferro 0,49 0,43 0,60

Cobre 0,17 0,18 0,15

Zinco 0,59 3,80 0,39

Manganês 0,11 0,35 0,04

Boro 0,10 0,09 0,09

Vitaminas (mg 100g-1)

Vitamina A (ret. β-caroteno) 0,011 0,007 0,018

Thiamina 0,086 0,032 0,047

Riboflavina 0,031 0,025 0,030

Ácido nicotínico 0,60 0,76 0,38

Vitamina C 24 15 28

Fonte: Bradbury (1988)

Atualmente a China destaca-se como o maior produtor mundial com mais de 4,7 milhões de hectares cultivados com batata-doce, atingindo produtividade média de 21,3 t ha -1

de raízes. O continente africano destaca-se como 2o grande produtor, porém com baixa produtividade média de raízes (4,4 t ha-1). Ainda na África, sobressai-se como principal produtor a Nigéria com mais de 1 milhão de hectares cultivados com batata-doce, no entanto apresenta apenas 3,4 t ha-1 de produtividade média de raízes (Tabela 2).

Tabela 2: Área plantada, produção total e produtividade de batata-doce no mundo e nos principais produtores (2006).

Paises Área plantada

Produção total

Produtividade de raízes

ha t kg ha-1

Mundo 8.661.288

127.228.146

14,7

China 4.708.503 100.222.120 21,3

3

África 2.559.223 11.326.628 4.,4

Nigéria 1.021.000 3.462.000 3,4

Cuba 47.123 303.000 6,4

japão 40.800 988.900 24,2

Estados Unidos da América 35.130 737.000 21,0

Fonte: FAO (2008)

Com relação aos países desenvolvidos, o Japão merece destaque, pois apresenta a maior produtividade média de raízes (24,2 t ha-1), superior à obtida pelos EUA (21,0 t ha-1). Ainda com relação ao Japão, historicamente a batata-doce foi utilizada como matéria-prima para a produção de etanol durante a segunda guerra mundial, segundo os relatos do Sr. Ryoichi Nakagawa,que foi utilizado como combustível de aviões e outros veículos (Neely, 1997), fato confirmado pelo Prof. Akihiko Ando*.

No Brasil, a batata-doce é cultivada, praticamente, em todas as localidades e principalmente como cultura de segurança alimentar em pequenas propriedades rurais. Em 2006, os dados do IBGE apontaram o Nordeste (19.381 ha), o Sul (18.768 ha) e o Sudeste (5.635 ha) como as regiões que tem as maiores áreas de produção de batata-doce (Tabela 3).

Na região Sudeste destaca-se o Estado de São Paulo com a maior área cultivada comercialmente com esta tuberosa (3.114 ha), que se apresenta dispersa pelo estado (Figura 1). Porém, merecem destaque três grandes regiões produtoras, representadas pelas localidades de Sorocaba, Dracena e Presidente Prudente, nas quais se cultivam áreas superiores a 250, 300 e 2.000 hectares respectivamente (Figura 2).

Tabela 3: Área plantada e colhida, produção total e produtividade e valor total da produção de batata-doce, segundo as grandes regiões e unidades da Federação (2006).

Regiões / Unidades Área plantada

Área colhida Produção total Produtividade

de raízesValor

ha ha t kg ha-1 1000 R$

Brasil 44.406 44.357 518.541 11.690 230.768

Norte 382 366 866 2.366 227

Acre 10 10 88 8.800 50

Amazonas 342 326 628 1.926 103

Pará 30 30 150 5.000 75

Nordeste 19.381 19.378 181.470 9.364 65.605

Maranhão 16 16 25 1.562 5

Piauí 98 98 507 5.173 268

Ceará 1.221 1.221 9.306 7.621 3.934

Rio Grande do Norte 2.198 2.197 18.753 8.535 7.461

Paraíba 5.796 5.796 51.225 8.837 18.616

Pernambuco 2.054 2.054 19.051 9.275 9.068

Alagoas 2.031 2.031 18.509 9.113 6.538

Sergipe 3.143 3.143 34.532 10.986 7.226

Bahia 2.824 2.822 29.562 10.475 12.490

Sudeste 5.635 5.605 83.800 14.950 31.930

Minas Gerais 1.198 1.198 16.064 13.409 7.194

Espírito Santo 186 186 4.220 22.688 1.688

Rio de Janeiro 1.107 1.107 19.144 17.293 6.385

São Paulo 3.144 3.114 44.372 14.249 16.663

Sul 18.768 18.768 250.013 13.321 131.919

* Akihiko Ando. Comunicação pessoal (2007). Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz- ESALQ/USP Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA); Piracicaba-SP. (19) 3429-4600

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Paraná 2.997 2.997 49.755 16.601 22.597

Santa Catarina 2.877 2.877 44.931 15.617 15.006

Rio Grande do Sul 12.894 12.894 155.327 12.046 94.316

Centro-Oeste 240 240 2.392 9.966 1.086

Mato Grosso do Sul 6 6 90 15.000 32

Mato Grosso 30 30 180 6.000 63

Goiás 120 120 660 5.500 299

Distrito Federal 84 84 1.462 17.404 693

Fonte: IBGE (2008)

Figura 1: Regiões onde se concentram os maiores produtores de batata-doce do Estado de São Paulo. (adaptado do IEA, 2007)

Figura 2: Principais produtores de batata-doce no Estado de São Paulo. Área inferior a 60 hectares (a) e superior a 60 hectares (b). (adaptado do IEA, 2007)

3 MATÉRIA-PRIMA ALTERNATIVA PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA: ETANOL

O amido presente nas raízes, tubérculos e cereais deve ser convertido em açúcar para ser submetido à fermentação por leveduras. A hidrólise ou sacarificação do amido pode ser feita por via ácida ou pela via enzimática (Figura 3), em processos contínuos ou descontínuos. A hidrólise ácida diminui o tempo relativo à sacarificação do amido, porém apresenta uma série de restrições, tais como corrosão de equipamentos, necessidade de correção do pH da solução açucarada, destruição parcial dos açúcares e formação de açúcares não fermentescíveis. A hidrolise enzimática ocorre em reatores onde são utilizadas enzimas de origem vegetal ou microbiana, destacando-se as enzimas α-amilase e amiloglucosidase (Venturini Filho & Mendes, 2003).

a b

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A questão do uso de matérias-primas amiláceas, com ênfase para a batata-doce, na produção de biocombustíveis não é nova, em 1909 foi publicado estudo onde foram avaliados os principais interferentes (produtividade e teor de matéria seca de raízes) no rendimento de etanol, sendo sugerido que a produtividade de raízes seria o principal fator (Keitt, 1909). No entanto, quando os genótipos tem teor de amido diferente, verifica-se que o amido tem maior contribuição no rendimento de etanol (Boswell, 1944). O etanol produzido a partir da batata-doce foi utilizado pelo Japão, como combustível, no período da segundda guerra mundial (Neely, 1997).

Figura 3: Fluxograma dos processos de hidrólise ácida (A) e enzimática (B), modificadas pelo acréscimo de pectinases. (adaptado de Venturini Filho & Mendes (2003) com a adição de pectinases**, segundo Wu & Bagdy (1987)).

Em fins da década de 70, Araújo et al. (1979) utilizaram a batata-doce como matéria prima para a produção de etanol obtendo rendimento médio de 158 litros de etanol por tonelada de raízes. Porém, observaram que a baixa produtividade de raízes (11 a 13 t ha -1) foi o fator restritivo para a recomendação desta como fonte alternativa para a produção de etanol no Brasil.

Na década de 80, Sacks (1980) recomendou a necessidade de substituição do uso de grãos, como o milho, nos processos fermentativos para a obtenção de etanol. Segundo este autor dentre as várias matérias-primas alternativas para a produção de etanol destacou-se a batata-doce, que foi considerada adequada para esta finalidade. Porém a produtividade de amido por hectare da batata-doce deve ser superior à dos grãos e as cultivares devem ter alto teor e amido.

McArdle & Bouwkamp (1982) avaliaram o potencial da batata-doce para a produção de etanol, utilizando cultivares de batata-doce com alto teor de amido nas raízes. Encontraram produtividades superiores a 5,8 t ha-1 de amido em sistema produtivo com baixa utilização de insumos agrícolas e taxa de conversão em etanol superior a 76%. Estes autores ressaltaram que os custos de armazenamento e transporte de raízes podem ser fatores limitantes para a implantação de unidades de produção de etanol nos Estados Unidos.

Os rendimentos dos processos fermentativos da massa de batata-doce variam entre 87 e 93%, de acordo com a cultivar e com o teor de matéria seca das raízes (Wu, 1988), os quais estão próximos dos 88% obtidos no processo fermentativo do milho (Wall et al., 1983).

Jones et al. (1983) avaliaram a capacidade produtiva de etanol de batata-doce,

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utilizando as cultivares Jewel e Hi-Dry, sendo obtidos de 5.332 a 7.109 L ha -1 e de 6.660 a 10.663 L ha-1 de etanol, respectivamente. Porém, estes autores recomendam a adoção de cultivares com maiores teores de matéria seca e a melhoria dos processos fermentativos, como meios de se aumentar os rendimentos de etanol.

Outras culturas podem ser fontes alternativas de matéria-prima para a produção de etanol. Nesse sentido, Talbert et al. (1983) avaliaram o potencial produtivo de álcool de oito culturas comerciais (milho, cevada, centeio, trigo, sorgo graminífero, sorgo forrageiro, alcachofra-de-jerusalem e batata-doce) na região sudoeste dos Estados Unidos. Destacaram-se o milho, a batata-doce e a alcachofra-de-jerusalem, destas a batata-doce foi a mais viável para a produção de etanol, sendo obtidos 1.780 litros de etanol por hectare, com possibilidades de se chegar a 2.806 L ha-1, com custo variando de US$ 0,42 a 2,01 por litro. Os rendimentos ficaram próximos aos obtidos para o milho (2.132 L ha-1), assim como os custos de produção US$ 0,42 a 0,54 por litro de etanol. O rendimento da alcachofra-de-jerusalem foi inferior a 1.700 L ha-1 e com alto custo de produção, mínimo de US$ 0,94 por litro. Estes autores apontaram a batata-doce como uma cultura potencial para a produção de etanol e, ressaltaram que os custos de produção podem ser reduzidos pela utilização de cultivares mais produtivas e pela otimização dos processos fermentativos.

Collins (1984) avaliou os teor de matéria seca e proteína e o rendimento de etanol de nove genótipos de batata-doce na Carolina do Norte (EUA). Na colheita feita aos 5,5 meses foram obtidas produtividades entre 31,4 e 58,6 t ha-1 de raízes. As cultivares Pelican Processor e Jewel foram as mais produtivas, respectivamente com 58,6 e 50,2 t ha -1 de raízes. Destas, a 'Pelican Processor' destacou-se pelo maior rendimento de matéria seca por hectare (18,3 t ha -1) e de etanol (8.597 L ha-1), com uma relação de 0,1467 litros de etanol por kg de raízes. Também foi verificado que o teor de matéria seca das raízes correlacionou-se de forma positiva com o rendimento de etanol (r=0,96 e p<=0,01) e negativamente com o teor de proteína (r=-0,66 e p<=0,05). Assim, esta autora sugeriu que os programas de melhoramento de batata-doce devem em primeira etapa selecionar genótipos de alta produtividade de raízes e na segunda etapa selecioná-los pelo teor de matéria seca das raízes.

Kim & Hamdy (1985) obtiveram para a batata-doce cultivar Georgia Red (23,6% ± 1,2 de matéria seca e 21,4% ± 0,6 de amido) produtividade de 30,8 t ha -1 de raízes o que equivale a 4.032 litros de etanol por hectare.

No Brasil, especificamente no Estado de Tocantins, a Universidade Federal de Tocantins (UFT) vem desenvolvendo um programa de melhoramento de batata-doce, iniciado em 1997, voltado especialmente para energia (Silveira, 2008). Neste programa foram selecionados genótipos de alta produtividade e teor de amido nas raízes, os quais foram avaliados, durante cinco anos em Tocantins, quanto à produtividade de raízes, teor de matéria seca e amido e rendimento de etanol. Destacaram-se as cultivares Duda (65,5 t ha-1 de raízes, 40,4% de matéria seca e 24,4% de amido), Beatriz (43 t ha-1 de raízes, 33,2% de matéria seca e 26,2% de amido), Ana Clara (45,7 t ha-1 de raízes, 35,4% de matéria seca e 23,4% de amido), Amanda (46,7 t ha-1 de raízes, 32,4% de matéria seca e 21,4% de amido) e Julia (40,6 t ha-1 de raízes, 37,4% de matéria seca e 24,6% de amido) com 10.467, 7.436, 7.058, 6.595 e 6.585 L ha-1 de etanol, respectivamente. Com relação aos custos de produção, este autor relatou custo médio de R$ 0,42 por litro de etanol produzido.

Além da capacidade elevada de produção de etanol, principalmente em cultivares de elevado teor de amido nas raízes, os subprodutos derivados do processo fermentativo tem características adequadas ao uso na alimentação animal (Tabela 4), podendo melhorar o resultado econômico das unidades de processamento. A razão de produção de etanol está na ordem 1:6,4, ou seja para a produção de 1 kg de etanol obtem-se 6,4 litros de “vinhaça” e teor de sólidos no resíduo líquido entre 4 e 6% (Wu, 1988). Porém, utilizando-se a mistura de 40% de raízes de mandioca moídas e 60% de grãos de milho macerados a razão de produção de etanol foi de 1:14 e os resíduos do processo de fermentação apresentaram as seguintes características físico-químicas: umidade de 94,36%, 4,29% de carboidratos, 0,93% de proteína e valor calórico de 20,88 kcal 100g-1 (Vieira*). Além destas, as características sensoriais apresentam boa palatabilidade ao gado.

Atualmente, tem se verificado interesse crescente no uso da batata-doce como matéria-prima por parte da China e de outros projetos de cunho ambiental.

* Jonas Arantes Vieira. Comuncação pessoal. Agroindustrial Tarumã Ltda. São Pedro do Turvo-SP. 2008

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Tabela 4: Composição centesimal dos resíduos (úmidos e secos) do processo fermentativo da batata-doce.

Componente Resíduoúmido

Resíduoseco

(%) (55oC / 72 h)

Proteína bruta 6,11 14,5

Extrato étereo 0,97 2,92

Fibra bruta 7,00 39,04

Extrato não nitrogenado 22,45 38,6

Cinzas 8,98 14,02

Umidade 42 12

Fonte: (Silveira, 2008)

4 PROCESSOS

O uso da batata-doce como matéria-prima para a produção de etanol apresenta problemas no processo fermentativo, principalmente relacionados à viscosidade da massa (presença de pectinas) interferindo no rendimento de etanol e nos processos de filtragem concntração dos resíduos. Diante deste problema, estudos foram conduzidos com o objetivo de estabilizar a massa e neutralizar o efeito da viscosidade no processo. Chua et al. (1984) verificaram que a adição de pectina despolimerase na massa de batata-doce aumentou a liberação de glicose para o meio, porém o uso de aquecimento no processo de sacarificação do amido foi fundamental para a redução do tempo total do processo. A adição de pectinases à massa de batata-doce aumentou o rendimento de etanol e as porcentagens de sólidos e de proteínas na torta de filtro (Wu & Bagdy, 1987). Com relação às características da torta de filtro, estes autores observaram aumento dos teores de aminoácidos, os quais foram superiores aos presentes na torta de filtro obtida dos processos fermentativos dos cereais. Além disso, os resíduos da fermentação da batata-doce para a produção de etanol, principalmente se concentrados na forma de torta de filtro, podem ser utilizados como matéria-prima para a indústria de alimentos o que contribui para o resultado econômico da destilaria.

Atualmente o custo de processamento de matérias-primas amiláceas para a produção de etanol tem sido elevada, o que torna o etanol de amiláceas não competitivo em relação aos custos do etanol produzido da cana-de-açúcar. Porém, a adoção de cultivares de alto teor de matéria seca e com elevada produtividade de raízes e ajustes nos processo fermentativos como o uso de enzimas mais eficientes ou modificadas geneticamente pode permitir melhores resultados econômicos, como os de Silveira (2008). Porém, é de fundamental importância à agregação de valor aos subprodutos do processo fermentativo da batata-doce, os quais podem ser destinados à alimentação humana (Wu & Bagdy, 1987) e animal.

5 DESAFIOS FUTUROS

De acordo com os relatos presentes neste texto pode-se considerar a batata-doce como uma planta pouco explorada para fins energéticos. Além disso, a capacidade de ganhos nos processos de melhoramento e seleção visando energia é elevada devido à grande diversidade genética presente na espécie Ipomoea batatas (L) Lam., o que pode ser encontrado facilmente nos bancos de germoplasma. Assim, os desafios relacionados à cultura da batata-doce a serem superados a curto e longo prazo estão relacionados a seguir. Estes são relativos às áreas de recursos humanos, fitotecnia e melhoramento.

5.1 QUESTÕES DE ORDEM DE RECURSO HUMANOS1. Aumento do número de pesquisadores trabalhando com a cultura em universidades e

órgãos de pesquisa;

Justificativa: A cultura da batata-doce tem sido relegada a segundo plano nas universidades e instituições de pesquisas, sendo poucos os pesquisadores envolvidos com a cultura. No novo modelo de matéria-prima alternativa para a produção de energia é necessário aumento no

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número de pessoas capacitadas para incrementar-se de forma rápida as pesquisas com a cultura.

5.2 QUESTÕES DE ORDEM FITOTÉCNICA1. Adequação de tecnologias para a produção em larga escala;2. Manejo em cultivo sucessivo;3. Manejo de soqueira após a colheita;4. Adaptações de máquinas para o plantio mecânico de batata;5. Análise do balanço energético da cultura visando produção de etanol;

Justificativa: Até o presente, quase a totalidade dos experimentos feitos com a cultura da batata-doce estão voltados para produção em pequenas áreas (horticultura) visando a obtenção de produto para consumo (mesa) e indústria (doces), utilizando principalmente baixa tecnologia por se tratar de cultura rústica e pouco exigente. Porém, para sistemas competitivos, visando a cultura como matéria-prima alternativa para a produção de energia, que envolve a produção em larga escala e com alto nível tecnológico, os fatores fitotécnicos ligados ao manejo cultural devem ser melhor ajustados, assim como a parte de mecanização.

5.3 QUESTÕES DE ORDEM DE MELHORAMENTO GENÉTICO QUE MERECEM MAIS INCENTIVOS

1. Melhoramento e seleção de genótipos com capacidade de produção de raízes pelo plantio de batata;

2. Melhoramento e seleção de genótipos para alta produtividade e de alto teor de amido;3. Melhoramento e seleção de genótipos com hábito de crescimento ereto;

Justificativa: Pouco se tem feito em melhoramento de batata-doce visando o uso como matéria-prima alternativa para a produção de energia. Até o presente, todo o sistema de melhoramento e seleção de genótipos tem se baseado principalmente em características de aceitação comercial como aspecto visual e formato das raízes, cor da película e da polpa e textura, gosto, consistência, fibrosidade e odor da polpa cozida ou processada. Além destes fatores de seleção, também se tem levado em consideração a produtividade de raízes e a resistência a pragas e doenças de solo. Com o conceito de cultura alternativa para produção de etanol, o melhoramento e a seleção de clones de batata-doce devem buscar genótipos de alta produtividade de raízes e com alto teor de amido sem levar em consideração aspectos visuais. Assim como, buscar genótipos que tenham capacidade de produção de raízes pelo plantio da batata, que atualmente está restrito ao genótipo Norin-32 ou Naeshirazu (Shitaka et al., 1975) e com hábito de crescimento ereto.

6 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS

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