Gelificação térmica da xiloglucana induzida por degalactosilação e por adição de sal cosmotrópico : aspectos cinéticos e estruturais

Orientador: Prof. Dr. Rilton Alves de FreitasTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 27/04/2018Inclui referências: p. 127-139Resumo: Soluções aquosas de xiloglucana (XG) nativa extraídas das sementes de H. courbaril (XGJ) formaram géis durante a remoção enzimática de resíduos de galactose, presentes na cadeia, à temperatura de 50 °C, pela adição da (3-galactose. A concentração enzimática influenciou a cinética de gelificação, mas não a rigidez do gel. O módulo de elasticidade dos géis aumentou com o acréscimo da concentração de XG de 10 Pa, em concentração de 5 mg mL"1, para 103 Pa, a 20 mg mL"1. A gelificação da solução iniciou quando 10% da galactose presente na cadeia foi removida, e parou quando ocorreu a remoção de aproximadamente 65% da galactose. Entretanto, a rigidez do gel continuou a aumentar lentamente após a remoção da galactose. O resfriamento causou o rompimento da rede reticulada, levando a uma diminuição do módulo de elasticidade dos géis. A densidade dos pontos de reticulação crítica na percolação das cadeias de XGJ é maior se as cadeias forem mais longas, o que significa que a temperatura crítica na qual há a formação do gel é menor quando a massa molar de XGJ for maior. O gel formado a partir da XGJ com Mw = 3,0 x 106 g moi-1, após a formação do gel a 50 °C e resfriamento a 10 °C, não se desfez, mesmo em baixas temperaturas. Entretanto, o gel obtido com Mw = 1,0 x 105 g moi'1, em baixas temperaturas, houve reversão ao estado sol, aonde não há a presença da rede gelificada ou existe a formação de poucos pontos de reticulação insuficientes para a formação do gel. A formação da rede gelificada também foi possível a partir de soluções aquosas de XG extraída de H. courbaril utilizando-se o sal cosmotrópico Na2S04. A adição 1 mol L"1 de Na2SÜ4 à XGJ nativa, fez com que houvesse a formação de hidrogéis mais elásticos, entretanto que precisam permanecer um tempo prolongado a baixas temperaturas para que ocorra a despercolação da rede. Em concentrações menores de Na2SÜ4a 0,75 mol L"1, 0,65 mol L"1, 0,5 mol L"1, foi possível obter hidrogéis que apresentassem termo-reversão dentro da escala de tempo e temperatura trabalhado nas análises reológicas, contudo com um menor grau de componente elástico. Em concentrações menores que 0,5 mol L"1 de Na2SÜ4 não houve a formação do hidrogel. Dentre os ânions cosmotrópicos avaliados (SO42', HPO42', Cl", H2PO4", NO3') os únicos que foram capazes de promover a formação da rede gelificada estável foram os S042"e HPO42" (H2PO4" nas condições experimentais de pH formou ~ 50% de HPO42"). Nas análises de microscopia confocal por varredura a laser foi possível observar a formação de grandes agregados e micro fibrilas na rede gelificada da XGJ com Na2SÜ4 a 1 mol L"1 enquanto que nas demais apenas foi possível ver a formação de micro fibrilas. Nas imagens de MEV viu-se que estas são formadas por pequenas partículas de XGJ que se ligam umas às outras. Nas análises térmicas observou-se que a formação do gel da XGJ com Na2SÜ4 a 1 mol L"1 é diferente da rede formada com menores concentrações. A mudança de conformação após a adição de Na2SÜ4 à solução de XGJ foi observada utilizando o CD, o aumento da adição de sal levou a uma maior mudança na conformação. Essa mudança expôs os segmentos hidrofóbicos presentes naturalmente na cadeia de XGJ, promovendo a reticulação sem a necessidade da hidrólise enzimática com (3-gal, tornando este processo mais viável economicamente a produção de hidrogéis termo-sensíveis ou termo-reversíveis de xiloglucana. Palavras-chaves: Xiloglucana de Jatobá 1. Hidrogéis termo-sensíveis 2. Hidrólise enzimática (3-gal 3. Sais cosmotrópicos 4.Abstract: Aqueous native XG solutions extracted from the seeds of H. courbaril (XGJ) formed gels during the degalactosylation at 50 °C induced by addition of the (3-gal enzyme. Enzyme concentration influenced gelation kinetics, but not gel stiffness. The gel modulus of elasticity increased with increasing concentration of XGJ from 10 Pa at concentration of 5 mg ml_'1 to 103 Pa at concentration of 20 mg mL'1. Gelling started at very low degrees of degalactosylation (<10%). Degalactosylation stopped at a degree of about 65%, but gel stiffness continued to increase slowly. The cooling caused the breakage of the crosslinks, leading to a decrease in the modulus of elasticity of the gels. The critical crosslinking density for percolating XGJ chains is greater if the chains are longer, which means that the critical temperature at which the gel formation is less when the molar mass of XGJ is higher. For the XGJ with Mw = 3.0 x 105 g mol-1, the gelled network was maintained even at temperatures 10 °C, but with Mw = 1.0 x 105 g mol-1 there was reversion to the sol state at low temperatures. It was possible to form a gelled network from aqueous solutions of XG extracted from H. courbaril using the Na2S04 kosmotropic salt. The addition of 1 mol L'1 of Na2S04 to the native XGJ, resulted in the formation of more elastic hydrogels, however, which require a longer time at low temperatures for the net to escape. At lower concentrations of 0.75 mol L'1, 0.65 mol L'1, 0.5 mol L'1, it was possible to obtain hydrogels that presented thermo-reversion within the time and temperature range worked in the rheological analyzes, but with a smaller elastic component. At concentrations less than 0.5 mol L'1 of Na2S04 there wasn't formation of the hydrogel. Among the evaluated kosmotropic anions (SO42", HPO42", CI-, H2PO4", NO3'), the only ones that were able to promote formation of the stable gelled network were SO42' and HPO42" (H2PO4" forms 50% of HPO42" in the pH of the gel). In the analysis of confocal microscopy by laser scanning it was possible to observe the formation of large aggregates and micro fibrils in the gelled network of XGJ with Na2S04 at 1 mol L'1, while in the others it was only possible to see the formation of micro fibrils. In the MEV images it was seen that these are formed by small particles of XGJ that are joined to each other. In the thermal analyzes it was observed that the formation of the gelled network of XGJ with Na2S04 at 1 mol L'1 is different from the constitution of the lower concentrations. The change in conformation after the addition of Na2S04 to the solution of XGJ were observed using the CD, increasing salt addition led to a greater change in conformation. This change exposes the naturally hydrophobic sequences in the XGJ chain, promoting cross-linking without the need for enzymatic hydrolysis with (3-gal, making this process more economically feasible to produce thermo-sensitive or thermo-reversible hydrogels of xyloglucan. Key words: Jatoba xyloglucan 1. Thermosensitive hydrogels 2. (3-gal enzymatic hydrolysis 3. Cosmotropic salts 4

Propriedades macromoleculares e hidrodinâmicas, em solução, das galactomananas de guar e alfarroba oxidadas com o reagente tempo

Orientador: Prof. Dr. Rilton Alves de FreitasDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 28/03/2014Inclui referências: p. 79-86Resumo: As galactomananas são polissacarídeos constituídos por uma cadeia principal de Dmanopiranose unidas por ligação ?-(1?4) e ramificações D-galactopiranose ?-(1?6). A oxidação seletiva do C-6 promovida pelo reagente 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxil (TEMPO) é uma forma de modificar e promover características e funcionalidades diferentes a esta molécula. Neste trabalho foi realizado a oxidação seletiva com reagente TEMPO das galactomananas de alfarroba e guar, com 5 graus diferentes de oxidação, determinados a partir do consumo de NaOH durante a reação. A oxidação foi confirmada através da caracterização por Espectroscopia no Infravermelho (FTIR) e Ressonância Magnética Nuclear (RMN), onde foi observada a presença de aldeídos nos graus de oxidação intermediários. A partir dos dados obtidos pela metodologia de cromatografia líquida de alta eficiência por troca iônica acoplada a detecção por amperometria pulsada (HPAED-PAD) a razão de Manose/Galactose foi determinada sendo para alfarroba nativa e seus derivados oxidados 1, 2, 3, 4 e 5 de 3,8/1, 2/1, 1,9/1, 1,7/1, 1,5/1 e 3,9/1. Para a guar e seus derivados oxidados 1, 2, 3, 4 e 5 os valores são de 1,2/1, 1,6/1, 1,5/1, 1,6/1, 1,5/1 e 5,4/1. Estes dados demonstraram que há uma preferência em oxidar a manose e posteriormente a galactose durante a reação. As propriedades macromoleculares e hidrodinâmicas das galactomananas nativas e oxidadas foram obtidas através da análise por cromatografia de exclusão de tamanho (SEC). Os valores de massa molar (Mw), viscosidade intrinseca [?], raio de giração (Rg) e comprimento de persistência (Lp) diminuiram com o aumento do grau de oxidação em ambas as galactomananas. Para a alfarroba nativa os valores foram de respectivamente 2,7x105 g.mol-1, de 4,9 dL.g-1, 35 nm, 6,15 nm. Na amostra 4 estes valores foram de respectivamente 0,43x105 g.mol-1, 0,6 dL.g-1, 9 nm e 2,50 nm. Os valores de Rg foram calculados a partir da equação de Flory-Fox, usando informações do viscosímetro, e o Lp pela formula para cadeias semi-flexiveis ou 'worm like". A mesma redução nos parâmetros macromoleculares também pode ser observada comparando-se a guar nativa com as amostras 1 a 5, devido ao fato das cargas presentes nas galactomanas oxidadas gerarem uma repulsão entre as moléculas e consequentemente diminuirem a tendência ao entrelaçamento e agregação entre essas. Os valores de Mw, [?], Rg, Lp foram, respectivamente, para a guar nativa e amostra 5 de 2,4x105 g.mol-1 e 0,56 x105 g.mol-1, 2,0 dL.g-1 e 0,5 dL.g-1, 25 nm e 10,0 nm, 4,15 nm e 2,80nm. A oxidação seletiva com reagente TEMPO se mostrou eficente para aumentar a flexibilidade da molécula, mesmo com pouco tempo de reação. Os parâmetros macromoleculares obtidos a partir da técnica de espalhamento de luz (LS) para as galactomananas nativas e oxidadas foram superiores aos obtidos por SEC. Este fato evidencia que para as moléculas com tendência a agregação, as técnicas que não sejam influenciadas por esses fatores são mais adequadas para realizar as caracterizações. Palavras chave: Galactomanana 1. Guar 2. Alfarroba 3. Oxidação seletiva C-6 4. Reagente TEMPO 5. Comprimento de persistência 6.Abstract: Galactomannans are polysaccharides composed of D-mannopyranose linked ?-(1?4) main chain, ?-(1?6) branched by D-galactopiranose. The selective oxidation of C-6, promoted by reagent 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxil (TEMPO), is a way to promote and modify various characteristics of this molecule. In this work, the oxidation reactions of guar and carob galactomannans were performed with TEMPO with 5 different degrees of oxidation, determined from the consumption of NaOH during the reaction. Characterization with Infrared Spectroscopy (FTIR) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) confirmed the chemical modification, where the presence of aldehydes was observed in intermediate degrees of oxidation. From the data obtained by high performance liquid chromatography coupled ion exchange efficiency with detection by pulsed amperometry (HPAED-PAD), the ratio of Mannose /Galactose was determined to be, respectively for the native carob and their oxidized derivatives 1, 2, 3, 4 and 5 were 3.8/1, 2/1, 1.9/1, 1.7/1, 1.5/1 and 3.9/1. For oxidized guar and its derivatives 1, 2, 3, 4 and 5 values are 1.2/1, 1.6/1, 1.5/1, 1.6/1, 1.5/1 and 5.4/1. These data demonstrated a preference to oxidize the mannose, and subsequently the galactose, during the reaction of oxidation. The macromolecular and hydrodynamic properties of the native and oxidized galactomannans were obtained through the analysis by size exclusion chromatography (SEC). The values of molar mass (Mw), intrinsic viscosity [?], radius of gyration (Rg) and the persistence length (Lp) decreased with increasing degree of oxidation in both galactomannans. To native locust, these parameter were respectively 2,7x105 g.mol-1, 4.9 dL.g-1, 35 nm and 6.15 nm. In sample 4 these values reduced so much 0,43x105 g.mol-1, 0,6 dl.g-1, 9 nm and 2.50 nm. Rg values were calculated from the Flory-Fox equation and Lp by the formula for semi-flexible strands or "worm like". The same reduction can also be observed by comparing the native guar with samples 1 to 5, due to the presence of charges in the oxidized galactomannans, that generated a repulsion between molecules and consequently diminish the tendency to aggregation and form entanglements in the pH and buffer used (0.1 mol.L- 1, TRIS-HCl, pH 8.0). The values of Mw, [?], Rg, Lp for native guar and sample 5 respectively were 2,4x105 g.mol-1 and 0.56 x 105 g.mol-1, 2.0 dl.g-1 and 0.5 dl.g-1, 25 nm and 10.0 nm, 4.15 nm and 2,80nm. The selective oxidation with TEMPO reagent proved to be efficient to increase the flexibility of the molecule, even with a short reaction time. The macromolecular parameters obtained from the technique of light scattering (LS) for native and oxidized galactomannans were higher than those obtained by SEC. This fact suggested the use of techniques which are not influenced by aggregates in solution to improve the characterization of galactomannans and its oxidized derivatives. Keywords: Galactomannans 1. Guar 2. Carob 3. Selective oxidation 4. Reagent TEMPO 5. Length of persistence 6