Copper ions adsorption in chemically modified chitosan and alginate beads in the presence of amyloid-beta peptide and histidine

Orientador: Marisa Masumi BeppuTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Um dos principais marcadores da Doença de Alzheimer é a ligação anômala que ocorre entre o peptídeo ß-amilóide (ßA) e íons metálicos, tal como o cobre, realizada por resíduos de histidina (HIS). Polímeros naturais como a quitosana e o alginato, que possuem grupos funcionais capazes de quelatar íons cobre podem ser usados como modelos para melhor entender as interações biopolímero-cobre na DA. Com esta pesquisa, pretendeu-se estudar o comportamento de três biopolímeros na bioadsorção de cobre: alginato com quantidade elevada de grupos gulurônicos (AlgGEL), alginato com quantidade elevada de grupos manurônicos (AlgCOL) e quitosana funcionalizada com histidina (QuiHIS). A capacidade de interação com íons cobre foi testada na presença de histidina ou ßA. Estudos de equilíbrio mostraram que os três adsorventes estudados apresentaram elevada capacidade de adsorção de íons cobre: 2,47; 2,51 e 2,41 mmol de Cu(II)/g de adsorvente para QuiHIS, AlgGEL e AlgCOL respectivamente. Embora as capacidades de adsorção tenham apresentado valores semelhantes, na presença de histidina o adsorvente que se destacou foi o AlgGEL que apesar do decréscimo de aproximadamente 20% na capacidade de adsorção após adição de histidina, foi o único que apresentou equilíbrio cinético semelhante para os diferentes sistemas estudados mostrando-se portanto mais estável. Mesmo apresentando estruturas químicas diferentes, os dois tipos de alginato, mostraram capacidades de adsorção semelhantes entre si, constatando então que a quantidade de grupos gulurônicos x grupos manurônicos não exerceu influência na capacidade de adsorção de íons cobre. Além da troca iônica, percebeu-se que, o mecanismo de adsorção do AlgGEL envolve principalmente os grupos carboxílicos do alginato e ligações hidroxilícas. Esses grupos foram observados através das análises de FTIR e XPS. O FTIR apontou que possivelmente ocorreu uma ligação bidentada via quelação metálica entre o alginato e o íon metálico. Com o FTIR e o XPS, também foi possível analisar a interação entre AlgGEL e HIS. A análise não detectou nenhuma interação, portanto, a diminuição da capacidade de adsorção ocorre provavelmente pela competição entre AlgGEL e HIS pelos íons cobre. Para finalizar, a isoterma realizada com o peptídeo ßA mostrou resultados semelhantes aos resultados adquiridos com histidinaAbstract: One of the hallmarks of Alzheimer's Disease (AD) is the anomalous binding that occurs between ß-amyloid (ßA) peptide and metal ions, such as copper, carried out through histidine residues. Natural polymers such as chitosan and alginate, which have functional groups capable of chelating copper ions, could be used as models to better understand biopolymer-copper interactions in DA. The aim of this research was to study the behavior of three biopolymers in copper adsorption: alginate with high amount of guluronic groups (AlgGEL), alginate with high amount of mannuronic groups (AlgCOL) and chitosan functionalized with histidine (QuiHIS). The ability to interact with copper ions was verified in the presence of histidine) or ßA. Equilibrium studies showed that the three adsorbents presented high adsorption capacity of copper ions 2,47; 2,51 e 2,41 mmol of Cu (II) / g dry adsorbent respectively to QuiHIS, AlgGEL and AlgCOL. Despite similar adsorption capacities, in the presence of histidine the adsorbent that stood out was the AlgGEL that even with a decrease of approximately 20% in adsorption capacity after addition of histidine, was the only one that presented similar kinetic equilibrium for the different systems studied showing stability. Even with different chemical structures, the two types of alginate, showed a similar adsorption capacity with each other, showing that the amount of guluronic and mannuronic groups doesn¿t affect the adsorption capacity. In addition to ion exchange, it has been observed that the adsorption mechanism of AlgGEL mainly involves alginate carboxylic groups and hydroxylic bonds. These groups were observed through FTIR and XPS analyzes. FTIR results showed that adsorption occurs by bidentate bonds via metal chelation between alginate and metal ion. With FTIR analysis it was observed that, there is no interaction between AlgGEL and histidine, showing that possibly occurs a competition between histidine and AlgGEL by copper ions, which leads to its adsorption capacity reduction. Finally, the adsorption isotherm employing ßA peptide was like those obtained with histidineDoutoradoEngenharia QuímicaDoutora em Engenharia Quimica142445/2013-4CNP

Chitosan as flocculant agent for clarification of stevia extract

Stevia is used as a sweetener due to its low calorific value and its taste, which is very similar to that of sucrose. After extraction from dried leaves, stevia extract is dark in colour, and therefore needs to be whitened to increase acceptance by consumers. In this study we tested chitosan, a cationic polyelectrolyte, as flocculant agent for the whitening of the Stevia extract. Positive charges of chitosan can interact electrostatically with a counter-ion, sodium tripolyphosphate (TPP), and then chitosan precipitates. A factorial design was used to study the whitening process, in which Glycosides Removal, Colour Removal, Turbidity Removal and Soluble Solids Removal were evaluated. The studied factors were Chitosan Mass and pH of the TPP solution. The results showed that chitosan is a good flocculant agent, being able to flocculate both the glycosides and the pigments that make the extract coloured.UNIOESTE Centro de Engenharias e Ciências ExatasUNIFESP Centro de Ciências Exatas e da TerraUNIFESP, Centro de Ciências Exatas e da TerraSciEL

Effects of chitosan as copper ion adsorbent in presence of amyloid-ß peptide or equivalent

Orientador: Marisa Masumi BeppuDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A doença de Alzheimer está relacionada à ligação anômala que ocorre entre o peptídeo ?- amilóide (?A) e o íon cobre. Segundo a literatura, utilizando-se espectroscopia Raman, observou-se forte evidência de que o cobre se liga ao núcleo da ?A através de anéis imidazólicos de histidina. Agentes quelantes, em princípio, podem ser usados farmacologicamente no tratamento da intoxicação com metais pesados. Neste trabalho, verificou-se a ação quelante da quitosana atuando na remoção de íons cobre, na presença de ?-amilóide ou de um composto equivalente que contenha histidinas (conhecidos como os responsáveis pela ligação com o íon cobre). Devido a limitações no uso da ?A, decidiu-se por usar histidina, para um melhor entendimento da interação que ocorre no sistema. Inicialmente, esferas porosas de quitosana foram preparadas para utilização na adsorção de íons cobre, com e sem a presença de histidina. Estudos de equilíbrio, envolvendo isotermas e cinéticas de adsorção foram realizadas, e a partir desses constatou-se, que a histidina compete com a quitosana pelos íons cobre, levando a uma diminuição na capacidade de adsorção. Em contrapartida, observa-se uma diminuição não tão brusca da capacidade de adsorção, mostrando que mesmo com a competição ocorrendo a quitosana continua adsorvendo cobre. Com a aplicação dos modelos isotérmicos, foi possível prever que a adsorção ocorre em monocamadas e também em sítios heterogêneos e que não existe somente um grupamento responsável pela quelação dos íons cobre. Em relação aos modelos cinéticos foi proposto que a etapa limitante no processo é adsorção química. Empregando Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR-ATR), observou-se que a histidina atua principalmente nos grupos amino e hidroxil da quitosana, afetando os átomos de nitrogênio e oxigênio do mesmo. Foram também realizadas análises de espalhamento de Raios-X a baixo ângulo (SAXS) revelando que a adição de histidina ou ?A no sistema proporciona provavelmente um desenovelamento da quitosana. Através de análises de Estrutura Fina Estendida de Absorção de Raios-X (EXAFS) verificou-se que após adição de histidina ocorre uma mudança qualitativa relacionada à primeira esfera de coordenação referente à ligação de Cu-O, o que pode indicar novas ligações, agora com os átomos de nitrogênio. Para finalizar, uma isoterma de adsorção empregando-se o peptídeo ?A foi obtida, os resultados foram semelhantes aos obtidos com a histidina, mantendo-se uma de adsorção de cobre por parte da quitosanaResumo: A hidrogenólise da sacarose é uma reação química de interesse industrial, uma vez que os produtos obtidos, sob a forma de glicóis e polióis, podem ser empregados em diversos setores produtivos, tais como indústrias farmacêuticas e de alimentos. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a preparação de catalisadores de Ni e Ru suportados em carvão ativado, destinados à hidrogenólise da sacarose em meio aquoso. Para tanto, catalisadores com uma fração mássica total de 5 % de metal foram preparados através dos métodos de impregnação incipiente e úmida, a partir de soluções aquosas de precursores clorados. Antes das impregnações, o suporte de carvão ativado comercial foi submetido a um tratamento químico com solução aquosa de KOH. Os sólidos preparados por meio da impregnação incipiente foram reduzidos a 473 K (200 ºC), sob fluxo de H2. Por sua vez, a impregnação úmida foi conduzida a 353 K (80 ºC), para diversos valores de pH, sendo a redução dos catalisadores realizada com formaldeído ou NaBH4. Os sólidos foram caracterizados através das técnicas de adsorção de N2 (método de B.E.T.), titulação de Boehm, titulação potenciométrica, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X, microscopias eletrônicas de varredura e de transmissão, difratometria de raios X e redução à temperatura programada. Os desempenhos catalíticos na reação de hidrogenólise da sacarose foram conduzidos num reator Parr do tipo "slurry", à temperatura de 523 K (250 ºC) e sob pressão de H2 de 5,0 MPa (50 atm), utilizando-se uma massa de 5 g do catalisador. Os resultados revelam que os catalisadores de Ni/C preparados por impregnação úmida são mais ativos e seletivos a 1,2 propanodiol que os preparados via impregnação incipiente. A impregnação úmida também leva a catalisadores de Ru/C seletivos, que se mostram mais ativos que os preparados por impregnação incipiente. Contudo, a impregnação incipiente permite obter catalisadores igualmente seletivos, sendo que, em ambos os casos, o tratamento do suporte com KOH tem um efeito marcante no aumento do rendimento de 1,2 propanodiolAbstract: Alzheimer's disease is related to the anomalous binding that occurs between the protein ?-amyloid (?A) and copper metal ion. By using Raman spectroscopy, literature has shown strong evidence that copper and zinc bind to A? peptide core through the imidazole ring of histidine. Chelating agents, in principle, can be used pharmacologically in the treatment of heavy metal poisoning. In this study, we verified the chelating action of chitosan acting in the removal of copper ions in the presence of amyloid-ß or an equivalent compound structural that presents histidine (known as the responsible for binding with copper ion). Due to limitations in using ?A, it was decided to use just histidine, aiming a better understanding of the interaction that occurs in the system. Initially, porous chitosan beads were prepared for the use in the adsorption of copper ions, with and without the presence of histidine. Equilibrium studies involving adsorption isotherms and kinetics were carried out, and from them it was observed that histidine competes with chitosan for the copper ions, leading to a decrease in the adsorption capacity. On the other hand, there is no sharp decrease of the adsorption capacity showing that even with a competition taking place, chitosan remains adsorbing copper. By applying the isothermal models, it was possible to predict that an adsorption monolayer occurs and that there is not only one group responsible for chelation of copper ions. With regard to kinetic models it was proposed that the limiting step in the adsorption process is the chemical adsorption. By using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR-ATR) it was observed that histidine acts mainly in the amino and hydroxyl groups of chitosan, affecting the nitrogen and oxygen atoms of the same. Analyses were performed for Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) revealing that the addition of histidine or ?A in the system provides probably one unfolding of chitosan. Through the analyses of Extended X-Ray absorption fine structure (EXAFS), it was found that after addition of histidine a qualitative change occurs in the first coordination sphere attributed to Cu-O binding, which may indicate new bindings, now with nitrogen atoms. Finally, the adsorption isotherm employing ?A protein was similar to those obtained with histidine; chich shows that chitosan kept the ability to absorb copperAbstract: The sucrose hydrogenolysis is a chemical reaction of industrial interest, since the obtained products, under the form of glycols and polyols, can be employed in different production sectors such as pharmaceutical and food industries. The present work aims to study the preparation of Ni and Ru catalysts supported on activated carbon, for the sucrose hydrogenolysis in aqueous media. For this purpose, catalysts with a total fraction of 5 wt % of metal were prepared by the methods of incipient and wet impregnation from aqueous solutions of chlorinated precursors. Before impregnation, the support of activated carbon was subjected to a chemical treatment in an aqueous solution of KOH. The solids prepared by incipient impregnation were reduced at 473 K (200 °C) under H2 flow. In its turn, the wet impregnation was conducted at 353 K (80 °C), for various pH values, being the catalysts reduction performed with formaldehyde or NaBH4. The solids were characterized by the techniques of N2 adsorption (B.E.T. method), Boehm titration, potentiometric titration, X ray photoelectron spectroscopy, scanning and transmission electronic microscopies, X ray diffraction and temperature programmed reduction. The catalytic performances for the sucrose hydrogenolysis were conducted in a Parr reactor of slurry type at temperature of 523 K (250 ° C) under H2 pressure of 5.0 MPa (50 atm), employing a catalyst mass of 5 g. The results reveal that the Ni/C catalysts prepared by wet impregnation are more active and selective for 1,2 propanediol than those prepared via incipient impregnation. The wet impregnation also leads to selective Ru/C catalysts, which are more active than those prepared by incipient impregnation. However, the incipient impregnation achieves also to selective catalysts, being that in both cases, the support treatment with KOH has a marked effect on increasing the yield of 1,2 propanediolMestradoEngenharia de ProcessosMestra em Engenharia Químic

Role of Alginate Composition on Copper Ion Uptake in the Presence of Histidine or Beta-Amyloid

The anomalous interaction between metal ions and the peptide beta-amyloid is one of the hallmarks of Alzheimer’s disease. Metal-binding biopolymers, including polysaccharides, can elucidate the fundamental aspects of metal ions’ interactions with biological tissue and their interplay in Alzheimer’s disease. This work focuses on the role of the alginate composition on Cu(II) adsorption in the presence of histidine or β-amyloid, the peptide associated with the progression of Alzheimer’s disease. Alginate samples with different mannuronic/guluronic (M/G) ratios led to similar Cu(II) adsorption capacities, following the Langmuir isotherm and the pseudo-second-order adsorption kinetic models. Although the presence of histidine produced up to a 20% reduction in the copper adsorption capacity in guluronic-rich alginate samples (M/G~0.61), they presented stable bidentate chelation of the metallic ion. Chemical analyses (FTIR and XPS) demonstrated the role of hydroxyl and carboxyl groups in copper ion chelation, whereas both crystallinity and morphology analyses indicated the prevalence of histidine interaction with guluronic-rich alginate. Similar results were observed for Cu(II) adsorption in alginate beads in the presence of beta-amyloid and histidine, suggesting that the alginate/histidine system is a simple yet representative model to probe the application of biopolymers to metal ion uptake in the presence of biological competitors

EFEITO DE BIOPOLÍMEROS NO REVESTIMENTO DE MAMÃO (Carica papaya L) MINIMAMENTE PROCESSADO

O mamão, como toda fruta climatéria, possui vida-de-prateleira bastante reduzida, sendo necessárias pesquisas de novas tecnologias na área de conservação desse produto. Nesse estudo, pedaços de mamão (Carica papaya, L), revestidos ou não com uma película comestível à base de três diferentes biopolímeros (quitosana, alginato e carboximetilcelulose), foram avaliados quanto ao teor de licopeno, perda de massa e aceitação pelo consumidor durante sua vida-de-prateleira. A pesquisa de aceitação e as análises de teor de licopeno foram feitas no dia do beneficiamento e no primeiro, terceiro e oitavo dia de armazenamento. A perda de massa foi acompanhada diariamente. Os biopolímeros não influenciaram o aroma, sabor, textura e aparência dos pedaços de mamões até o quarto dia de armazenamento, no entanto, as propriedades sensoriais foram insatisfatórias após oito dias de armazenamento. Observou-se que os revestimentos não evitaram reduções na perda de massa e no teor de licopeno