Autores
Pinheiro, H.N. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Veloso, F.F. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Almeida, J.L.I.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS) ; Abreu, F.O.M.S. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ)
Resumo
Polissacarídeos extraídos de exsudatos de plantas são comumente estudados na
comunidade acadêmica em sistemas de liberação de fármacos, bioadsorventes, e
outras finalidades. A goma da siriguela é um polissacarídeo pouco explorado,
cuja modificação estrutural pode expandir suas aplicações. Este trabalho teve
como objetivo, extrair goma do exsudato da seriguela, modificar por
carboximetilação e avaliar a influência da concentração de base e do teor de
ácido cloroacético na reação. As amostras carboximetiladas foram caracterizadas
por titulação potenciometrica, FTIR e viscosidade. Os resultados mostram que a
reação foi bem sucedida, apresentando influência de ambos os fatores reacionais
e constatando uma diminuição da viscosidade das soluções, potencializando assim
a funcionalidade
Palavras chaves
Carboximetilação; Spondias purpúrea L.; Gomas naturais
Introdução
Gomas naturais são substâncias que podem ser definidas, de forma geral como
polissacarídeos que podem se solubilizar ou absorver água, em diversas faixas de
temperatura, podendo formar dispersões coloidais, soluções de alta viscosidade
ou géis. (RODRIGUES, 1993). Gomas naturais podem ser extraídas de várias fontes,
como exsudatos (HOSSEINI et al., 2015), sementes (DEEPAK et al., 2016), ou por
processos de fermentação microbiológica (REINOSO et al., 2019). A Siriguela
(spondias purpurea L.) é uma planta da família das Anacardiacias que
pode ser encontrada em diversas regiões tropicais do mundo, em especial na
américa latina. Uma grande parte das espécies é encontrada na Venezuela. (PINTO,
2000). A goma dessa planta pode ser extraída pelo seu esxudato, as unidades
monossacarídicas que compõem essa goma são galactose (59%), arabinose (9%),
mannose (2%), xylose (2%) e ramnose (2%). Existe uma fração de ácidos urônicos
(26%) representado pelo ácido D-glucurônico, além de material proteico residual.
(MARTÍNEZ et al., 2008). Estudos Espectroscopicos da goma mostram que sua
estrutura é baseada em b-D-galactopiranose (1→3) and (1→6) ligados, bem como,
arabinose, ramnose, ácido b-D-glucurônico e ácido 4-O-metil a-glucurônico como
resíduos de cadeias terminais (GOTERA et al., 2005). A goma da Siriguela (SG) se
apresenta como um material polimérico com vasto potencial de aplicações, baseado
em semelhanças estruturais com outros polissacarídeos extraídos de exsudatos de
plantas da mesma família, como a goma do cajueiro. (KUMAR et al., 2012).
Teixeira et al. (2007) utilizou a goma da S. purpúrea de forma reticulada como
matriz de afinidade cromatográfica para isolamento de lectinas. No entanto, essa
goma ainda é pouco explorada em materiais para fins ambientais e diante de suas
características merece atenção quanto a aplicabilidade desse material frente a
uma ampla demanda. Para que exista melhoria nas propriedades dos
polissacarídeos, as modificações estruturais vêm sendo aplicadas como uma opção
na inserção de novos grupos funcionais, que aumentam a densidade de carga
elétrica na estrutura do polissacarídeo. A carboximetilação é um exemplo
promissor de modificação estrutural. (CHEN; PARK, 2003). A carboximetilação é
uma modificação química comumente utilizado, na qual uma das suas principais
vantagens é a facilidade de síntese, reagentes químicos de custo reduzido, não
toxicidade e biodegradabilidade dos derivativos obtidos (CHAKKA et al., 2020). A
modificação de polissacarídeos via carboximetilação consiste em uma reação de
substituição nucleofílica de segunda ordem (SN2). Na primeira etapa ocorre a
desprotonação dos grupamentos hidroxilas das cadeias primárias e secundárias do
polissacarídeo, seguido da eterificação dessas cadeias, devido a substituição
dos grupos alcoólicos pelos grupos carboximetílicos oriundos do ácido
monocloroácetico (MCA). (MOURYA et al., 2010; SILVA et al., 2004). Este trabalho
procurou, avaliar a influência da concentração de base e do teor de MCA na
obtenção de derivados carboximetilados com maiores valores de grau de
substituição, bem como estudar a influência da reação nas propriedades
reologicas das soluções de goma, no intuito de potencializar o polissacarideo na
medida que a inserção de grupamentos funcionais na cadeia polimérica pode agrega
valor à esses materiais.
Material e métodos
Inicialmente ocorreu a extração do exsudato, obtido por choque mecânico em
partes do caule da árvore localizadas no município de Pacatuba, Ceará, Brasil. O
pó do exsudato foi solubilizado em água destilada e mantido sob agitação
magnética por 24 horas. A mistura foi precipitada em etanol 96% (Neon), e o
precipitado filtrado e lavado com álcool metílico (Dinâmica) e acetona (Neon). O
processo foi repetido duas vezes como processo de purificação. Para a
modificação estrutural foi seguida a metodologia proposta por SILVA et al.
(2004) com algumas modificações. Onde 2 g da goma foram adicionados em 10mL de
água destilada até formação de uma pasta, 15 ml de NaOH foram adicionados à
solução lentamente e sob agitação constante. Posteriormente, frações de MCA
(Neon) foram adicionadas no meio alcalinizado. A mistura foi aquecida a 60°C por
4 horas. A solução foi precippitada em Etanol 96%, onde o precipitado foi
filtrado e lavado com álcool metílico e acetona. As amostras de goma da
siriguela carboximetiladas (CMGSp) foram secas em estufa a 50ºC. A tabela 1
mostra as condições reacionais utilizadas para as modificações da GSp. A
metodologia utilizada para a determinação do grau de substituição das amostras
foi adaptada do método descrito por Yahoum et al. (2016), no qual 0,2 g das CMSG
foram solubilizadas em 50 mL de HCl (Dinâmica) 0,1 M e tituladas com solução de
KOH (Dinâmica) 0,1 M. A solução de GSp purificada também foi titulada pelo mesmo
método de modo a representar uma amostra em branco. O valor de GS foi calculado
utilizando as equações 1 e 2 a seguir: [Eq1: DS=(162∙A)/(1000-58∙A)] [Eq2: A=
((V2-V1)∙C)/m]. Sendo 162 a massa molar da unidade de galactose, monômero
majoritário do polissacarídeo, 58 é massa molar dos grupamentos
carboximetilicos, A é a quantidade geral de grupos CH2COOH e CH2COONa por grama
de amostra, V2 é o volume de KOH usado para a titulação das CMGSp em litro, V1 é
o volume de KOH usado para a titulação do branco, C é a concentração de KOH
(mol/L), e m é a massa da amostra seca utilizada. Os espectros de absorção na
região do infravermelho foram obtidos em espectrômetro modelo Shimadzu IR-
tracer-100, com transformada de Fourier. Os experimentos foram realizados com
amostra em pastilhas de KBr, com espectro registrado na faixa de 4000 a 400 cm-
1. Os testes de viscosidade foram realizados de acordo com a metodologia
descrita por Abreu (2008). A Viscosidade específica da goma pura e seus
derivados, foi obtida pela equação 3, e a viscosidade especifica reduzida pela
equação 4, utilizando um viscosímetro Cannon-Feske, em concentrações da solução
diluídas em NaCl 0,2M a 30°C. [Eq3: η.esp=((t-t0)/t0)] [η.esp.red=(η.esp/c)].
Onde η.esp é a viscosidade específica, t o tempo de escoamento da solução, t0 o
tempo de escoamento do solvente e c é a concentração percentual do polímero na
solução. A viscosidade intrínseca foi obtida graficamente pelo limite da
viscosidade específica reduzida, quando a concentração da solução tende a zero.
Resultado e discussão
Os polissacarideos produzidos pela carboximetilação apresentaram diferenças
significantes em relação a goma isolada e purificada. As soluções de SG
apresenta coloração mais escura e aspecto opaco, enquanto os derivados
apresentaram em solução, uma aparência límpida. Além disso, também foi observado
um aumento na solubilidade, onde o tempo de agitação para preparo de soluções
foi diminuido em cerca de 96% para os produtos carboximetilados. Tais fenômenos
ocorrem devido a hidrofilicidade dos grupamentos inseridos na cadeia do
polissacarideo (YAHOUM et al., 2016). Os derivados carboximetilados foram
titulados em duplicata para a determinação do grau de substituição, e os
resultados obtidos estão ilustrados na tabela 1, observa-se que as amostras
produzidas com hidróxido de sódio 5M apresentaram maior grau de substituição
com valor medio de 0,38. Já os derivados carboximetilados obtidos pela adição de
NaOH 10M apresentaram um valor médio de 0,16. Com os resultados obtidos,
observa-se que o aumento da molaridade de NaOH prejudicou a reação, diminuindo o
o grau de substituição. Um estudo realizado por Kaity e Ghosh (2013) mostra que
a carboximetilação da goma de Parkia biglobosa (Locust Bean), apresentou um
aumento no grau a medida que o aumento do volume de NaOH 10M ocorre, no entanto,
volumes acima de 14 ml está relacionado à uma redução no grau de substituição,
pelo fato de que, niveis altos de base favorecem a reação secundaria de formação
de glicolato de sódio, predominando no meio reacional ao invés dos derivados
carboximetilados. Explicando assim, o decrescimo no grau de substituição para as
amostras de CMGSp quando utilizado NaOH 10M em comparação com 5M.
Em relação ao efeito da concentração do acido cloroacético (MCA), Observou-se
que existe alteração do grau de substituição em função do teor adicionado, sendo
também um efeito significativo. o estudo mostra que em uma concentração ideal de
NaOH, a medida que a quantidade de ácido é adicionada, o grau de substituição
aumenta até certo ponto, no entanto, em valores de proporção acima de 1:5 o
valor diminuiu. Esse aumento do grau em niveis intermediarios de MCA pode estar
relacionado a uma maior disponibilidade dos íons carboximetil que reagem com as
cadeias polissacaridicas da goma. Nos niveis mais altos de MCA a formação de
glicolato pode ser favorecida e a eficiência da carboximetilação decai. Estudos
de carboximetilação de gomas realizados anteriormente constatam esse fenômeno.
(SHARMA; KUMAR; SONI, 2003. PUSHPAMALAR et al., 2006). Os espectros de FTIR da
GSp e dos derivados carboximetilados, CMGSp3B, CMGSp7A e CMGSp5A, são mostrados
na Figura 1, item I. Os espectros apresentam picos de absorção na região de 1605
e 1417 cm-1 o espectro A apresenta esses picos referentes a estiramento
simétrico e assimétrico, respectivamente, de grupos C=O de ácido carboxilico do
ácido glucurônico de cadeias terminais presentes na GSp isolada e purificada
(GLINEL et al, 2000; CHEN et al., 2014). Nos demais espectros (B, C e D) nota-se
um aumento considerável na intensidade deste pico ocasionado pela introdução dos
novos grupamentos carboximetilícos. Comparando o espectro B com espectro C e D,
observa-se que a intensidade da banda em 1605 cm-1 aumenta nas amostras que
possuem grau de substituição maiores. Os espectros apresentam também bandas
próximas a 3400 cm-1, atribuídas ao estiramento O-H, além de outra banda na
região de 2930 cm-1, referente ao estiramento C-H (PITOMBEIRA et al., 2015). De
acordo com os resultados obtidos, a viscosidade intriseca da GSp isolada foi de
19,12ml/g, observa-se que esse valor é bem superior que a dos derivados obtidos
após a carboximetilação. Levando em consideração de que a reação de eterificação
de Williamson é realizada com altas concentrações de NaOH e MCA e temperatura
elevada, processos de degradação não específicos podem ocorrer nas unidades
polissacaridicas majoritarias, o que pode levar a uma redução na viscosidade do
material carboximetilado. Além disso algumas gomas podem acabar gerando a
obtenção de ácidos sacarícos, que apresentam maior solubilidade em meio aquoso,
redusindo a viscosidade dos produtos. (WHISTLER et al., 1958). Os derivados com
valores de grau de substituição mais altos, variando de 0,23 a 0,51, mostraram
uma diminuição significativa na viscosidade. Esse decrescimo pode estar
associado a diminuição de forças intermoleculares devido a inserção de grupos
carboximetilicos ou mesmo pela redução do peso molecular devido à degradação da
cadeia polimérica (GOYAL et al., 2007). A diminuição da viscosidade intrínseca
quando o grau de substituição aumenta foi observada também para carboximetil
escleroglucano no estudo realizado por Nooy et al. (2000) e pode ser observada
pelo gráfico representado pela figura 1, Item II.
Parâmetros reacionais, grau de substituição e rendimentos dos derivados carboximetilícos produzidos.
Espectros de Infravermelho (item I) e relação entre o grau de substituição e a viscosidade das amostras carboximetiladas (Item II).
Conclusões
Polissacarídeos Naturais são materiais extensamente explorados para diversas
finalidades. A forma mais utilizada de extração e purificação é a partir do
exsudato da planta e por precipitação em etanol. O trabalho teve o objetivo de
isolar a goma da siriguela e submeter a reação de carboximetilação, avaliando a
influencia da concentração de NaOH e do ter de ácido cloroacetico como
parâmetros reacionais. Os resultados do estudo apontam a influência de ambos os
fatores, onde os maiores valores de grau de substituição foram obtidos quando
foi utilizada a concentraação de 5M e em teores intermediarios de ácido. Quanto
as características reológicas, a goma apresentou, em temperatura ambiente, uma
viscosidade intrínseca de 19,12 ml/g, diferente dos produtos carboximetilados
que obtevera uma acentuada queda nos valores de viscosidade. Além disso, detaca-
se a relação inversamente proporcional estabelecida entre o grau de substituição
das amostras com a viscosidade, causada pela afinidade entre os grupamentos
inseridos com o solvente, ou pela degradação da cadeia polimérica. Os
grupamentos funcionais determinados por espectroscopia FTIR, apontam a presença
de OH e COOH na goma pura confirmando a presença desses grupamentos nos
monômeros. Em relação aos espectros das amostras carboximetiladas é apontado o
aumento da intensidade de absorção nas regiões caracteristicas de hidroxilas e
carbonilas, além de banda relacionas a presença de eteres, confirmando a
ocorrencia da reação de eterificação. Tais dados mostram a goma como um
polissacarídeo de fácil obtenção, e que a reação de carboximetilação apresenta-
se como um processso viavel de inserção de grupos funcionais que modificão as
propriedades do polímero natural, potencializando seu uso em diversas áreas.
Agradecimentos
Ao Programa de Pós Graduação em ciências Naturais da UECE, à CAPES pela conseção
da bolsa de pesquisa e pelo CENAUREMN pelas análises de FTIR.
Referências
ABREU, F. O. M. da S. Síntese e caracterização de Hidrogéis biodegradaveis a base de quitosana com morfologia controlada com potencial aplicação como carreadores de fármacos. 2008. 182 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2008.
CHAKKA, V. P. et al. Carboxymethylation of polysaccharides: synthesis and bioactivities. International Journal Of Biological Macromolecules, [S.L.], v. 165, p. 2425-2431, dez. 2020.
CHEN, X.; PARK, H. (org.). Chemical characteristics of O-carboxymethyl chitosans related to the preparation conditions: xi-guangchen. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 53, n. 4, p. 355-359, 01 set. 2003.
CHEN, Y.; ZHANG, H.; WANG, Y.; NIE, S.; LI, C.; XIE, M. Acetylation and
carboxymethylation of the polysaccharide from Ganoderma atrum and their antioxidant and immunomodulating activities. Food Chemistry, [S.I.], v. 156, p. 279-288, 2014.
DEEPAK M., SHEWETA B., KHATKAR B.S., Effect of partially hydrolyzed guar gum on pasting, thermo-mechanical and rheological properties of wheat dough, International Journal of Biological Macromolecules, 2016.
GLINEL, K. et al. Determination of substituents distribution in carboxymethylpullulans by NMR spectroscopy. Carbohydrate Research, [S.L.], v. 328, n. 3, p. 343-354, set. 2000. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/s0008-6215(00)00120-8.
GOTERA, O. G. de; MARTINEZ, M.; SANABRIA, L.; PINTO, G. L. de; IGARTUBURU, J.M. 1D- and 2D-NMR spectroscopy studies of the polysaccharide gum from Spondias purpurea var. lutea. Food Hydrocolloids, [S.L.], v. 19, n. 1, p. 37-43, jan. 2005.
GOYAL, P. et al. Carboxymethylation of Tamarind kernel powder. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 69, n. 2, p. 251-255, jun. 2007.
JUANG, R et al. A simplified equilibrium model for sorption of heavy metal ions from aqueous solutions on chitosan. Water Research, [S.L.], v. 36, n. 12, p. 2999-3008, jul. 2002. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/s0043-1354(01)00537-1
KAITY, S.; GHOSH, . Carboxymethylation of Locust Bean Gum: application in interpenetrating polymer network microspheres for controlled drug delivery. Industrial & Engineering Chemistry Research, [S.L.], v. 52, n. 30, p. 10033-10045, 19 jul. 2013.
KUMAR, A. et al. Cashew Gum A Versatile Hydrophyllic Polymer: a review. Current Drug Therapy, [S.L.], v. 7, n. 1, p. 2-12, 1 abr. 2012.
LAUS, R. et al. Microesferas de quitosana reticuladas com tripolifosfato utilizadas para remoção da acidez, ferro(III) e manganês(II) de águas contaminadas pela mineração de carvão. Química Nova, [S.L.], v. 29, n. 1, p. 34-39, fev. 2006.
MARTÍNEZ, M. et al. New structural features of Spondias purpurea gum exudate. Food Hydrocolloids, [S.L.], v. 22, n. 7, p. 1310-1314, out. 2008.
NOOY, A. E. J. de et al. Synthesis and preliminary characterisation of charged derivatives and hydrogels from scleroglucan. Carbohydrate Research, [S.L.], v. 324, n. 2, p. 116-126, fev. 2000.
PINTO, G de. The composition of two Spondias gum exudates. Food Hydrocolloids, [S.L.], v. 14, n. 3, p. 259-263, maio 2000.
PITOMBEIRA, N. A.; NETO, J. G. V.; SILVA, D. A.; FEITOSA, J. P.; PAULA, H. C.; de PAULA, R. C. Self-assembled nanoparticles of acetylated cashew gum: Characterization and evaluation as potential drug carrier. Carbohydrate Polymers, [S.I.], v. 117, p. 610-615, 2015.
PUSHPAMALAR, V. et al. Optimization of reaction conditions for preparing carboxymethyl cellulose from sago waste. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 64, n. 2, p. 312-318, maio 2006.
REINOSO, D. et al. Rheological characterisation of xanthan gum in brine solutions at high temperature. Carbohydrate Polymers, v. 203, n. 8, p. 103-109, 2019.
RODRIGUES, J. F.; PAULA, R. C. M. de; COSTA, S. M. O. Métodos de Isolamento de Gomas Naturais: Comparação Através da Goma do Cajueiro. Polímeros: Ciência e tecnologia, São Paulo, v. 3, n. 1, p. 31-36, 1993.
SHARMA, B. R.; KUMAR, V.; SONI, P.L. Carbamoylethylation of Cassia tora gum. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 54, n. 2, p. 143-147, nov. 2003.
SILVA, D.A. et al.Carboxymethylation of cashew tree exudate polysaccharide: durcilene a.silva. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 58, n. 2, p. 163-171, 19 nov. 2004.
TEIXEIRA, D.M.A. et al. Spondias purpurea Exudate polysaccharide as affinity matrix for the isolation of a galactose-binding-lectin. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 70, n. 4, p. 369-377, nov. 2007.
WANG, J.; YANG, Z.; LIN, L.; ZHAO, Z.; LIU, Z.; LIU, X. Protective Effect of Naringenin Against Lead-Induced Oxidative Stress in Rats. Biological Trace Element Research, v. 146 n. 3, p. 354-359, 2011.
WHISTLER, R. L. et al. Alkaline Degradation of Polysaccharides. Advances In Carbohydrate Chemistry, [S.L.], p. 289-329, 1958.
WHO, G.. Guidelines for drinking-water quality. World Health Organization, v. 216, p. 303-304, 2011.
WONG, K.K et al. Removal of Cu and Pb by tartaric acid modified rice husk from aqueous solutions. Chemosphere, [S.L.], v. 50, n. 1, p. 23-28, jan. 2003.
YAHOUM, M.M. et al. Synthesis, physicochemical, structural and rheological characterizations of carboxymethyl xanthan derivatives. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 154, p. 267-275, dez. 2016.
